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2

MMOODDEELLOO DDEE LLAANNGGMMUUIIRR EE DDEE BBEETT

Na última aula nós tínhamos ficado a distinguir o problema das substâncias, ou das interfaces

sólido-gás para as quais a adsorção não se verifica segundo a isotérmica de Langmuir.

O modelo matemático proposto por Langmuir não é aplicável em determinadas condições

sobretudo nos casos em que há interacção molecular quando as forças de ligação sólido-gás são

demasiado fracas, isto é, não são do tipo químico e quando há formação de mais de uma camada. Temos

aqui uma adsorção física:

Nesta situação, o aplicável são as isotérmicas de BET. Uma expressão empírica proposta por

três químicos, cuja representação matemática é:

TTIIPPOOSS DDEE IISSOOTTÉÉRRMMIICCAASS

Também foi visto que, de acordo com o tipo de par adsorvente/adsorvato, se poderiam verificar

diferentes tipos de isotérmicas:

3

Isto é, se usamos adsorção em função da concentração de

gás que é colocado frente ao adsorvente, poderia ter semelhança com

uma isotérmica de Langmuir ou deste tipo, estando aqui indicados

exemplos característicos onde isso se verifica. Ou eventualmente, o

acréscimo contínuo da quantidade de substância adsorvida tem que

chegar à saturação mesmo antes de chegar à solução o vapor

saturante.

Significa que, mesmo para determinarmos os pares

adsorvente/adsorvato, a proposta de BET (Brunauer, E… e Teller) não é válida. Aqui está um exemplo em

que a adsorção de crípton se faz em negro de fumo e como se pode ver, o que ocorre são semi-

isotérmicas de Langmuir em nada parecidas com as isotérmicas de BET:

VVEERRIIFFIICCAAÇÇÃÃOO EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL DDOO MMOODDEELLOO

Significa então que para tirar teimas no sentido de verificar se o modelo aplicável é o de Langmuir

ou o de BET, o que se faz é registar experimentalmente quais são os

valores da quantidade de substância adsorvida em função da pressão

do gás e traçar a correspondente isotérmica. A forma de ver se esses

pontos experimentais coincidem ou não com o modelo é da forma

como o gráfico mostra.

Se houver linearidade, então estamos perante a isotérmica de

BET. Se não houver linearidade, naturalmente poderá ocorrer uma

excepção, como foi mostrado, e a forma mais simples de se tirar

teimas é através do valor de adsorção, isto é, recorrendo não a um

parâmetro quantitativo mas sim a um parâmetro qualitativo. Aqui esta

o exemplo da forma como se faz a verificação da isotérmica de BET:

Perante os valores matemáticos, vocês relacionam-nos, como mostra o

gráfico. Naturalmente que têm uma recta, recta essa cujo coeficiente angular vos

vai dar o valor do volume da monocamada e a ordenada na origem. Se por

acaso se preferir substituir P/P0 por um factor X que corresponde à relação, a

representação dada é esta:

4

ENTÃO �

Os parâmetros quer da ordenada na origem quer de declive são os mesmos que se repetiram em

cima.

ÁÁRREEAA DDEE SSUUPPEERRFFÍÍCCIIEE DDOOSS SSÓÓLLIIDDOOSS

O interesse de determinar Vm é o interesse de avaliar a área de superfície de um sólido que tinha

importância quer do ponto de vista social, quer do ponto de vista terapêutico.

A forma mais simples de avaliar é utilizar equipamento como aqui está

representado, em que um determinado sólido é colocado em contacto com um

gás (naturalmente esse gás tem de ser inerte para não reagir com a

substancia em questão ou com o sólido em questão) e medir qual é a pressão

de gás que atinge o sólido e, ao fim de algum tempo registar ou o volume de

gás que ficou fixado no sólido (e então estamos presente a um método

volumétrico) ou então ver qual é o peso de gás que entretanto ficou adsorvido

no sólido (e então estamos frente a um método gravimétrico). Claro está que

esta quantidade em volume ou em peso vai servir para determinar a área

superficial específica de sólido que no fundo corresponde a uma relação entre a área de superfície do

adsorvente e a massa de adsorvente. Essa medida da seguinte forma:

O processo experimental de medir o volume é muito mais simples do que medir a massa. Como

tal, o que se pode fazer é medir o volume de gás que é adsorvido por unidade de massa de adsorvente.

Em função disso, o que se faz é calcular o nºmoles adsorvidas por g de adsorvente, nesta só camada, e

dividir pelo volume molar do gás (Vm).

Depois calculam-se o nº moléculas. Esse cálculo é feito multiplicando pela constante de

Avogadro. A seguir, multiplica-se pela área correspondente a uma molécula (esta área está definida e

estipulada) e em função dos valores aqui calculados, sabe-se então a área superficial da espécie sólida

que vem expressa em m2/g.

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Não esquecer que, experimentalmente, se determina é Vm e não a área da monocamada.

Sendo assim, para determinar a área da

monocamada, é preciso dividir o Vm (calculado quer pela

intersecção da recta, quer pelo declive da recta) pelo Vm do

gás para depois multiplicar pelo nº de Avogadro e, logo a

seguir, pela área específica de cada uma dessas moléculas.

O valor 10-20 que aqui está indicado no fundo corresponde a

um factor de correcção porque a área definida para uma

molécula só, vem habitualmente definida em Å (angstrom) ou como o valor de área de superfície vem

definido em m2/g, tenho de transformar Å em m (metro) que no fundo corresponde a um factor de

correcção.

CCOONNCCRREETTIIZZAAÇÇÃÃOO PPRRÁÁTTIICCAA

Um exemplo prático de como fazer tudo isto está aqui definido:

Está uma tabela onde para 2 de P em função da pressão de vapor do gás, eu registo o volume de

adsorvido pelo sólido. O que faço a seguir é traçar

experimentalmente a correspondente isotérmica (quantidade de

substância adsorvida vs pressão de gás em contacto com o

sólido). O aspecto da isotérmica não pode ser confundido com

uma isotérmica de Langmuir já que não há uma saturação

completa da superfície mas sim um acréscimo contínuo da

quantidade de substância adsorvida. Mesmo assim poderá

acontecer de não se tratar de uma isotérmica de BET.

Aqui estão os cálculos referentes a estas representações que se pretendem.

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Depois faz-se o gráfico:

Efectivamente dá uma linha recta

que a ordenada na origem é esta que está

indicada, o declive é o que aqui está

representado. Daqui é possível retirar o

valor de Vm que depois servirá para calcular

a área de superfície do sólido que, de

acordo com o valor da área para uma

molécula, sendo que o gás que está

envolvido é o azoto, ficamos a saber que

neste caso a área de superfície deste sólido é igual 101 m2/g. Significa então que a área específica de uma

molécula decorre do valor de Vm determinado experimentalmente a dividir pelo Vm do gás vezes o nº de

Avogadro.

IINNTTEERRFFAACCEESS SSÓÓLLIIDDOO--LLÍÍQQUUIIDDOO EE LLÍÍQQUUIIDDOO--LLÍÍQQUUIIDDOO

Passemos então a interfaces em que estarão em contacto sólidos/líquidos e líquidos/líquidos.

Nestas interfaces não vamos jogar com um fenómeno que nos recordamos. Quando falamos em

superfícies líquidas, os fenómenos que nos interessam são a tensão superficial (líquido/gás e

líquido/líquido), a adsorção e a detergência (líquido/líquido e sólido/líquido). Neste tipo de interfaces

sólido/líquido e líquido/líquido, o fenómeno muito importante do qual vamos falar é o fenómeno da

detergência.

Recordemos então o que é a adsorção:

O que normalmente se faz para registar a adsorção é medir o decréscimo de pressão ou da

concentração das espécies no seio da fase. Ou medir a pressão ou o volume do adsorvato adsorvido por

uma determinada quantidade de adsorvente.

Nesta interface líquido/líquido vamos reportar-nos à concentração. Portanto a forma de registar a

adsorção é medir o decréscimo de concentração no interior da fase ou medir o volume/quantidade

adsorvida à superfície. Um dos métodos é aquele utilizado no trabalho prático nº1 em que se regista a

quantidade de substância que inicialmente se coloca em contacto com o sólido (carvão activado neste

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caso) para, passado algum tempo da adsorção, medir a quantidade de substância que ficou. A diferença

dá-nos o resultado da quantidade adsorvida.

CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS SSÓÓLLIIDDOO--LLÍÍQQUUIIDDOO

Na interface sólido-líquido, muitas vezes não se consegue definir exactamente se a interface tem

características sólidas ou se tem características líquidas.

Quase que custa a admitir que os sólidos ou as suas moléculas, conseguem

destacar “organicamente” para passarem à fase líquida e vice-versa. E muitas vezes

pensa-se que esta interface, que tem características especiais (senão não seria uma

interface), é apenas constituída por moléculas de soluto. Não é verdade, esta dúvida surge

a muitos autores e aqui está o modelo que só consegue definir efectivamente o que se passa nessa

interface. Existem ambos os tipos de moléculas ou existem apenas moléculas líquidas.

Mas que é verdade que existem os dois tipos de moléculas, existem.

MMEECCAANNIISSMMOOSS DDEE AADDSSOORRÇÇÃÃOO

Como é que se dá a adsorção de um líquido num sólido?

Em primeiro, há o processo de aproximação. As moléculas de

adsorvato vão-se difundindo e vão-se aproximando de uma

determinada zona de superfície sólida.

A seguir tem de haver uma fase de migração. Só depois é

que ocorre a adsorção e então as moléculas formam então uma

camada, isto é, não se sobrepõem umas sobre as outras. Ficam

ligadas ao sólido formando uma camada única.

Um dos fenómenos que estudaremos posteriormente, que é o fenómeno de transporte,

nomeadamente a difusão, também tem ligação neste processo de adsorção.

O fenómeno da adsorção de sólidos em líquidos é extremamente importante já que, corresponde

à incorporação de substrato em detectores celulares, isto é, qualquer substância que se aproxime de uma

célula tem primeiro de migrar para perto da célula a partir de um certo tipo de transporte, logo a seguir é

adsorvida à superfície da célula e dispõe-se para a absorção ou o substrato dispõe-se numa camada

monomolecular. É um dos exemplos de rebocados contaminantes.

AA SSUUAA IIMMPPOORRTTÂÂNNCCIIAA

A técnica de cromatografia baseia-se exactamente neste tipo de adsorção. É um método de

eliminação de impurezas e purificação de proteínas como veremos em devido tempo.

Este fenómeno é a base de:

– Incorporação de substratos em receptores celulares

– Remoção de contaminantes

– Técnica de cromatografia de adsorção

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– Método de eliminação de impurezas

– Purificação de proteínas

CCOOMMOO DDEETTEERRMMIINNAARR AA CCAAMMAADDAA AADDSSOORRVVIIDDAA

1. Método directo

a) Introduzindo na solução uma forma radioactiva do

adsorvato

b) Medindo a radioactividade do adsorvente após a remoção

da solução

2. Método indirecto

a) Determinação da quantidade de soluto no seio da solução, antes e após o equilíbrio com o

adsorvente.

b) Calculo do valor aparente de V a partir da variação da concentração.

A forma normal de determinarmos a camada adsorvida, ou seja, a quantidade de substância

adsorvida, é usando o método directo ou o indirecto. O método directo é extremamente contaminante e

caro já que obriga à introdução de uma forma radioactiva no adsorvato, e o registo da radioactividade

desse adsorvato à superfície do sólido. Obriga portanto à utilização de métodos que obrigam a cuidados

especiais sendo normal recorrer-se à utilização de um método indirecto. No método indirecto, a

determinação da quantidade de soluto que tenho na solução, antes e após o equilíbrio de adsorção, é o

que habitualmente se faz. Depois, calcular o volume ou quantidade que, aparentemente se ligou ao

adsorvente a partir da variação da concentração no seio da fase. Por isso mesmo pegamos no carvão,

sabemos qual a quantidade de ácido acético inicial que vamos colocar em contacto directo com o carvão,

para logo depois da adsorção registarmos a quantidade que ficou por adsorver para sabermos quanto foi

adsorvido.

IISSOOTTÉÉRRMMIICCAASS CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS

Quando se utiliza o método directo, o que se obtém é aquilo que se designa por isotérmicas

individuais ou isotérmicas verdadeiras.

Já que, sendo possível marcar somente o

soluto e registar a sua adsorção pelo adsorvente, eu

posso determinar em concreto depois de medir a

radioactividade, eu posso medir a concentração

adsorvida em função da concentração colocada em

contacto com o sólido. No indirecto é impossível

acontecer já que o que eu meço é o soluto e todas as

moléculas que eu solvato, isto é, não consigo saber se

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no carvão ficou somente ácido acético, ou se também ficaram ligadas moléculas de água, o que é

provável. Nessa altura, as isotérmicas são isotérmicas aparentes.

Estas isotérmicas não têm nada a ver com as outras.

O que se regista não é uma quantidade adsorvida real mas apenas uma quantidade aparente que

se expressa pela concentração adsorvida em função da massa de adsorvente versus concentração

inicialmente colocada em contacto com adsorvente. A grande questão é porque é que na adsorção de

líquido/sólido se tem formação de uma monocamada e não de multicamadas como na adsorção

física? Será que a adsorção é física ou química, ou não será física com formação de uma só

camada? Ou em definitivo uma adsorção física?

Não é normal a ocorrência de formação de multicamadas porque, se tivermos uma solução,

ficamos surpreendidos que a ligação soluto/solvente é muito estável. Se há moléculas que vão ficar ligadas

ao adsorvente é porque provavelmente a ligação soluto/sólido é mais estável do que a ligação que tinha o

soluto com solvente. Se assim é, não é provável que a ligação soluto/sólido, (é muito mais forte que a

soluto/solvente), então não é provável que venham moléculas de solvente depositar e, assim, haverá

exclusivamente formação de monocamada. Só ocorrerá formação de multicamada se eventualmente

houver uma adsorção química inicial e, por cima, uma adsorção física mas não (?). Normalmente isso

acontece em relação ao contaminante.

Mas sendo uma adsorção física com formação de monocamada, como distinguir da

verdadeira adsorção química de um gás-sólido?

Distingue-se pelo calor de adsorção.

Registam-se as diferentes isométricas a diferentes temperaturas e através dos valores registados

em cada ponto, faz-se a concentração (ou quantidade de substância adsorvida) vs concentração de soluto

em contacto com o sólido.

Fazendo isso para diferentes temperaturas, podemos, registando o declive da recta em função do

gráfico, saber qual os valores de ∆H que neste caso 12.1 é extremamente baixo para imaginar se posso

saber se temos adsorção química.

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Efectivamente há adsorções químicas de líquidos em sólidos. Nestas alturas é impossível reverter

a reacção.

Se tivermos um pouco de carvão onde passamos adsorvente de refinados tóxicos, por mais que

se queira reverter a reacção, o tóxico não mais se desliga.

Se no trabalho prático registado nas aulas (adsorção do ácido acético pelo carvão) se quiser, e

com o tratamento adequado, pode-se colocar o carvão em condições de ser efectuada nova adsorção.

Em conclusão, podemos apresentar dois tipos de modelos para a adsorção de líquidos em

sólidos: o de Langmuir e o, meramente empírico, denominado isotérmica de Freudlich (ensaiado nas aulas

práticas).

IISSOOTTÉÉRRMMIICCAA DDEE FFRREEUUDDLLIICCHH AAPPLLIICCAADDAA ÀÀ AADDSSOORRÇÇÃÃOO DDEE LLÍÍQQUUIIDDOOSS PPOORR SSÓÓLLIIDDOOSS

A aplicação do modelo de Langmuir à adsorção líquido/sólido pode ser representada desta forma:

Naturalmente, tudo o que se refere a P (concentração do gás), posso neste caso substituir por C

(concentração de soluto), que nos é dado pelo registo de nº de moles de soluto adsorvidas por unidade de

peso de adsorvente relativamente ao nº de moles de locais de adsorção por unidade de peso de

adsorvente.

Então, sabendo que a constante

de equilíbrio da reacção pode ser definida

pela razão entre a fracção molar (ou

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quantidade de soluto) vs a quantidade de solvente, eu posso exprimir a relação anterior pela seguinte

expressão em que tenho uma recta em que, fazendo representar a concentração de soluto vs a massa de

adsorvato em função da concentração inicial, terei como ordenada na origem 1/bm e o declive 1/m.

Esta isotérmica é adequada para muitos pares adsorvente/adsorvato. Mas no momento em que

não satisfaça, é possível recorrer à isotérmica de Freudlich.

IISSOOTTÉÉRRMMIICCAA DDEE FFRREEUUDDLLIICCHH

Freudlich, depois de fazer uma série de ensaios experimentais, verificou que a quantidade de

substância adsorvida em função da massa de adsorvente era directamente proporcional à concentração de

soluto elevado a um exponencial. Esse exponencial n que determina a maior ou menor interacção das

moléculas com o próprio solvente, se caísse dentro de determinados limites, nomeadamente 0,1 e 0,7,

poderia ser usado para analiticamente determinar a quantidade de substância adsorvida em função da

concentração.

Para isso, e porque a expressão que ele

inicialmente idealizou não dava uma linha recta,

era necessário linearizá-la. E no momento em

que a expressão de x/m em função de c não dá

uma linha recta, logaritmizamos a solução e

passaremos a ter uma função linear.

Esta equação representa

satisfatoriamente a maioria das adsorções de

líquidos em sólidos e n representa a acção

mútua das espécies adsorvidas. E quando ela é menor que 1, é previsível que a ligação ao adsorvente

12

seja muito forte, o que não acontece quando n é maior que 1. Aí, a repulsa entre as moléculas é tão

grande que dificulta o processo de adsorção.

Se, depois de calcularmos experimentalmente a expressão x/m e se representarmos a função de

log x/m em função de log c, podemos obter, segundo Freudlich, uma recta. Recta essa cujo declive, a

ordenada na origem é log K e o declive é 1/n.

O significado físico deste equilíbrio é, quanto maior for m, menor é a capacidade que o soluto tem

de se ligar a aquele adsorvente.

O valor de K no fundo, é a apetência inicial que o próprio adsorvente tem para o soluto. São

exactamente esses dois parâmetros que são pedidos para registar no trabalho 1 e para fixar o

correspondente significado.

FFAACCTTOORREESS QQUUEE IINNFFLLUUEENNCCIIAAMM AA AADDSSOORRÇÇÃÃOO

Existem diversos factores que influenciam a adsorção na interface sólido-líquido. Não

estabelecemos uma regra única, fixa.

1- Natureza do adsorvato e do solvente

• 1.1- Compostos inorgânicos são fracamente adsorvido, excepto halogéneos

• 1.2- Compostos orgânicos alifáticos são fortemente adsorvidos

• 1.3- Compostos aromáticos policíclicos com estrutura mesomérica são os mais fortemente

adsorvidos

2- Natureza do adsorvente

• 2.1- Adsorvente polar adsorverá preferencialmente o componente mais polar da solução.

• 2.2- Adsorvente não polar adsorverá preferencialmente o componente menos polar da solução.

• 2.3- O grau de adsorção numa série homóloga de substâncias orgânicas em solução aquosa ,

por um adsorvente apolar, aumenta com o nº de átomos de carbono da série (Regra de

Traube).

• 2.4- A adsorção de substâncias orgânicas , por umadsorvente polar, diminuiu com o aumento do

nº de átomos de carbono da série.

Um dos factores é o tipo de adsorvato e o tipo de solvente. Por exemplo, os compostos

inorgânicos são mais fracamente adsorvidos do que os compostos orgânicos, excepto no que se refere aos

halogéneos. Tem a ver com a capacidade de ligação que eles podem receber devido à sua nuvem

electrónica.

Os compostos orgânicos alifáticos são fortemente adsorvidos. Por isso, devido ao carboneto

alifático são substâncias altamente tóxicas. Os compostos aromáticos policíclicos com estrutura

mesomérica também são fortemente adsorvidos. Tudo o que seja armado com radicais já tem mais

dificuldade de adsorver. Esta sequência de adsorção não é para decorar, porque quando queremos saber

se determinado composto é mais fortemente adsorvido que outro, consultam-se tabelas onde estão

referidas constantes de informação para pares adsorvente/adsorvato. Porque muito embora isto aconteça

da forma qualitativa que foi apresentada, isto é se admitirmos que o adsorvente é o mesmo em todas as

circunstâncias, ou seja, estou a comparar o que aqui se passa para o mesmo adsorvente. Mas se

entretanto mudar de adsorvente, eu já não posso comparar situações diferentes porque adsorventes

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polares têm tendência a adsorver mais facilmente substâncias polares. Já os adsorventes não polares

preferem adsorver substâncias não polares. Semelhante adsorve semelhante.

Numa cromatografia, se quisermos que uma substancia progrida mais rapidamente numa coluna

cromatográfica, e se for apolar, teremos que escolher uma coluna polar.

O grau de adsorção para um determinado adsorvente, uma série homóloga de substâncias

orgânicas quando estão em solução aquosa, aumenta com o número de átomos de carbono, se o

adsorvente for apolar. Se for polar, acontece precisamente o contrário.

O ácido fórmico tem menos átomos de carbono que

o ácido acético, o propiónico e o butírico.

O grau de adsorção do ácido butírico é muito maior

que o do fórmico.

A quantidade de substância adsorvida para a

mesma quantidade colocada em contacto, é muito maior

para o butílico do que para os outros. Assim sendo, tenho

de imaginar que este adsorvente tem características

apolares.

No gráfico que vem a seguir, vemos a ordem, que é inversa. Nesta altura, o adsorvente de utilizam

tem características mais polares, como é o caso do gel de sílica.

3- Concentração do adsorvato

• 3.1- A adsorção é tanto maior quanto mais diluída é a solução

• 3.2- A dessorção é tanto mais fraca quanto menor for a quantidade de substância adsorvida

Outro factor que influencia a adsorção é a concentração de adsorvato. A concentração é tanto

maior, quanto mais diluída for a solução. Pode parecer um contratempo, mas não o é. Por exemplo, se

tivermos uma molécula aqui e outra ali, tenho a certeza de que não vão “embicar” uma com a outra, e

portanto não vão a correr para o local de adsorção. Desta forma, a adsorção faz-se mais facilmente.

Se, pelo contrário, eu tiver moléculas muito juntas, elas vão todas a “correr” para os locais de

adsorção. Isto vai então dificultar a adsorção.

Por isso, porque a adsorção é tanto maior quanto mais diluída for a solução, explica o difícil que é

remover quantidades vestigiais de um contaminante em determinadas substâncias tóxicas.

Se consultarem um frasco de reagente sólido, vêem que há sempre uma listagem de impurezas.

Um reagente pode ter 99,9% de substância pura, que é aquele a que se chama normalmente de reagente

pró-análise. Mas é impossível remover essas impurezas que estão em 1%, porque, estando elas tão

diluídas, elas facilmente são absorvidas. Sendo a remoção um processo tão complicado, o reagente tornar-

se-ia extremamente caro.

4- Solubilidade do adsorvato

• 4.1-A adsorção aumenta sempre que a solubilidade do adsorvato diminui

• Explos:

� Meio ácido- ácidos gordos e sais de amónio quaternário

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� Meio alcalino- alcalóides e bases orgânicas

A solubilidade do adsorvato também é outro factor que influencia. Isto porque quanto menos

solúvel for o soluto no solvente, se ele não sentir apetência pelo solvente, vai sentir apetência pelo

adsorvente sólido. Portanto a adsorção vai aumentar sempre que a solubilidade diminuir do soluto no

solvente.

5- Características físicas do adsorvente

• 5.1- Porosidade, estado da superfície, valor da superfície total

As características físicas do adsorvente também determinam a adsorção, nomeadamente a

porosidade, o estado de superfície, inclusivamente o valor da área de superfície de adsorvente.

Quanto maior for a área de superfície, mais são. Quanto mais expurgado se fizer o adsorvente,

quanto mais tratado estiver o estado da sua superfície, mais rápido se faz a adsorção. No que se refere à

porosidade, acontece da mesma forma.

AADDSSOORRÇÇÃÃOO DDEE PPOOLLÍÍMMEERROOSS NNAA IINNTTEERRFFAACCEE SSÓÓLLIIDDOO--LLÍÍQQUUIIDDOO

O que acontece em termos de adsorção para substâncias ou moléculas pequenas, nem sempre

se aplica a macromoléculas, a polímeros.

O que acontece é que, no nosso organismo, (tirando o sódio, o magnésio e o potássio e essas

substâncias que são transportadas até às células) tudo o resto que nos chega às células, são substâncias

macromoleculares.

A adsorção de polímeros, muitas

vezes não segue as mesmas regras que as

da moléculas pequenas. As isotérmicas que

se aplicam a moléculas pequenas, não são

adaptáveis à adsorção de polímeros. Por isso,

muitas vezes é difícil prever, numa situação

de diagnóstico, o que vai acontecer a

determinado doente se for administrado algo

que vai mostrar aquele componente para que

possa deixar outro ser adsorvido.

Exactamente porque não há um modelo que se aplique à adsorção dessas macromoléculas, tudo

passa um pouco pela zona de imaginação do médico, que, muitas vezes por tentativas, vai conseguindo

originar o tratamento ao doente.

O que pode influenciar a adsorção de polímeros é a natureza das moléculas, inclusive a sua

conformação (não têm todas a mesma forma: bastonete, redondas, esticadas…). Os sistemas

macromoleculares são sistemas habitualmente polidispersos, ou seja, com moléculas de diferentes tipos.

Outro factor que influencia é o grau de interpenetração das próprias cadeias e o estado de

agregação em que elas se encontram.

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Muitas vezes, parece que o modelo de BET é do tipo de Langmuir, e depois vai-se calcular a

fracção de substância adsorvida em função da temperatura e acaba por contradizer todo o modelo de

Langmuir. Por isso mesmo, a adsorção de polímeros ainda está em estudo e ainda não é uma ciência

completamente estabelecida nem quantificada.

AADDSSOORRÇÇÃÃOO DDEE LLÍÍQQUUIIDDOOSS PPOORR SSÓÓLLIIDDOOSS:: OODDEERR AADDSSOORRVVEENNTTEE DDOOSS SSÓÓLLIIDDOOSS

O poder adsorvente, no fundo,

indica a quantidade que é adsorvida por

uma determinada área de adsorvente, ou

seja, pela superfície específica do sólido.

A forma de determinar é

naturalmente pegar numa quantidade

definida de adsorvente, agitá-lo com um

determinado volume de solução e depois

por um processo indirecto determinar a

dimuição da concentração de adsorvato

no seio da fase e a partir daí calcular a

quantidade adsorvida.

Para quê? Para depois de

determinar o número de moles, ou seja o x sobre m, quantidade de substância adsorvida por grama de

adsorvente em função do peso molecular do adsorvente, multiplicamos pelo número de avogrado para

determinar o número de moléculas, e pela área específica de cada molécula saber o poder específico de

um sólido.

O que é o poder específico de um sólido?

Parâmetro que nos indica que uma determinada superfície de um sólido tem a capacidade para

adsorver x moléculas de adsorvato, desde que a área específica de cada molécula, seja uma determinada.

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Um exemplo clássico deste calculo:

A desionização da água é feita através duma resina de permuta iónica, isto é, a água passa

através duma resina catiónica, troca todos os seus catiões, nomeadamente sódio, magnésio, potássio e

esperandos que não haja metais pesados como o zinco chumbo, etc. por H+.

Logo a seguir passa por uma resina aniónica e troca todos os seus aniões, nomeadamente cloreto

ou outros por OH-. H+ com OH- dá água, água pura sem iões.

Ora, não se pode pôr uma litrada de água da torneira a circular por uma resina sem saber

antecipadamente qual é o poder adsorvente da resina, isto é, qual é a capacidade que essa resina tem de

adsorver à sua superfície um determinado número de moléculas que existem na água da torneira, quer

catiões, como aniões. E portanto, para isso é preciso saber:

1. a área específica da resina

2. para depois calcular qual é a volumetria de água da torneira que se pode fazer passar sem

ocorrer uma saturação da resina.

Quem fala de um exemplo prático

desses, também pode referir por exemplo

o da cromatografia.

A cromatografia, na maioria das

vezes, definida por cromatografia líquida

utiliza como suporte, como fase

estacionária um sólido e depois de

injectado uma determinada quantidade de

solução promove a separação por

diversos mecanismos, mas deve-se ter a

noção que a coluna deve ter 1m, 2m ou 1cm para poder suportar a adsorção desses compostos que estão

amostra de forma a permitir a sua separação.

Portanto, pode-se antecipadamente, consultar um catálogo de colunas cromatográficas e uma das

características que vem referenciada para o material que constitui a coluna, é efectivamente o seu poder

adsorvente.

Naturalmente que como qualquer cálculo deste tipo há limitações à sua determinação:

É impensável que uma molécula de soluto seja por si só adsorvida. Naturalmente que ela está, em

maior ou menor extensão, isto é, traz com ela um conjunto de moléculas de água e quando vai ser

adsorvida, vai naturalmente ser adsorvida parte do soluto e parte do solvente. Portanto, o valor a recolher

da adsorção do sólido é um valor mais ou menos aparente. Não diz respeito exclusivamente ao soluto mas

sim a um misto do soluto e do solvente.

Por muito que se queira, nunca se consegue promover uma saturação completa de um solvente.

Não esquecer que enquanto que, no caso de ter uma superfície de um sólido/liquido, as forças de ligação

gás-gás eram tão fracas que a distância média das partículas era tão grande que haveria pouca

probabilidade de interagirem umas com as outras, no caso de um soluto, isso não acontece. Portanto,

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quando duas moléculas estão muito próximas geralmente vão competir as duas para o mesmo local activo

e muitas vezes o que acontece é que quando as duas querem o mesmo lugar nenhuma o ocupa e como

tal, ficam buracos à superfície do adsorvente, visto que não se conseguem ligar naturalmente ao local.

Claro está que toda esta determinação se faz com soluções muito diluídas e sobretudo, com a força iónica

das soluções ajustadas.

Sabe-se que os iões que existem em solução têm uma determinada actividade iónica. Quando

existe um ião e logo imediatamente a seguir outro e outro e outro, isto é, quando a força dos iões, a força

iónica da solução é muito elevada, o que vai acontecer o que já foi referido, eles nem que queiram inverter

as suas funções, não conseguem porque têm um conjunto de nuvens electrónicas à volta que impede

actuarem como..

Então o que é que é normal fazer?

Para deixar que um ião se separe doutro e ele próprio possa ter a sua actividade iónica, utiliza-se

aquilo a que se chamam ajustadores de força iónica. São electrólitos, normalmente concentrados e

normalmente muito dissociados que vão fazer o quê?

Exemplo:

Um cálcio fica rodeado de iões negativos de um electrólito, por exemplo cloreto de sódio, vai

ficar rodeado de cloreto e naturalmente já não tem tendência a “imbicar”, com outro cálcio que possa estar

em solução. Portanto, há força iónica ajustada, isto é, adicionando electrólito de forma a que o ião inverta a

sua própria actividade iónica.

Onde tem lugar a adsorção de líquidos em sólidos?

Exemplo da prof.1

Primeiro o tratamento do vidro

com compostos de silicone. É certo que o

vidro, sendo constituido por radicais SiOH,

portanto silício, tem tendencia, como é uma

substância extremamente polar, a adsorver

substâncias polares.

Exemplo da importância da adsorção

Historinha 1: “Há uns anos no laboratório aconteceu uma coisa interessante. Todos os balões

volumétricos tinham umas tampas vermelhas e na altura estava-se a fazer um estudo daquelas louças de

barro que quando vitrificadas levam cádmio. O cádmio é altamente tóxico e estava-se a fazer um estudo da

cedência do cádmio em determinadas situações de gordura, de lavagens... E preparados os padrões,

quando se iam a ler as amostras que resultavam da lixiviação dos materiais de barro, dava-se conta que os

valores de cádmio eram brutalmente altos.

Toda gente ficou muito admirada pensando que meio mundo estava intoxicado. Só depois é que

demos conta que aquelas tampas vermelhas cediam altas concentrações de cádmio, só que não cediam à

solução. Tinham uma particularidade. Ficavam todos adsorvidos no balão volumétrico.

Naturalmente que quando o processo de acidificação, porque o cádmio tem de ser medido em

condições de pH muito baixas, se introduziam as amostras dentro dos balões, elas iam adquirir para além

18

do cádmio que existia nelas próprias, ainda iriam adquirir o cádmio que pela dessorção do vidro voltava à

solução.”

Há determinadas situações em que o vidro exige tratamento com silicone. O silicone é um material

inerte, é um polímero.

Historianha 2: “Um aluno de doutoramento desta casa estava a estudar as aminas biogénicas. As

aminas biogénicas têm um papel muito importante. São um dos compostos presentes no vinho que fazem

bem à saude. O aluno já estava a meio da tese de doutoramento, toda a gente e nos livros vinha a dizer

que o vinho tinha aminas biogénicas e ele não as encontrava. O que é que acontecia?

As aminas ligavam-se fortemente aos grupos OH do vidro e ficavam adsorvidas aí. Quando ia a ler,

por técnicas extremamente extensivas, dava a conta que não havia nenhumas aminas biogénicas, porque

estavam todas agarradas ao vidro. Isto, embora possa parecer que não tem importância nenhuma, fez com

que fosse feito um alerta aos produtores de vinho, que começaram a fazer tratamentos especiais às

garrafas antes de colocar o vinho lá exactamente para proteger as aminas que ficavam lá agarradas e

provavelmente outras coisas que pudessem ser pesquisadas. Por isso muitas vezes, vocês notam que ha

determinados reagentes específicos que não são guardados em recipientes de vidro. A utilização de

frascos de plástico para o seu acondicionamento é perfeitamente justificada.”

Os processos separativos com filtros de microcelulose também são um exemplo exemplo típico de

ocorrência de adsorção. Muitas proteínas ficam adsorvidas aos filtros de microcelulose e no momento em

que há uma caracterização das mesmas elas escapam ao indíviduo que está a fazer os testes de

calibração exactamente por ficarem retidas nesses filtros.

Uma técnica que utiliza a adsorção em termos analíticos é a pré-concentração por adsorção.

Qualquer processo de detecção, sejam físicos ou químicos têm um determinado limite de detecção, a partir

do qual é impossivel medir alguma coisa.

Exemplo: Por isso é que os atletas andam sempre a ludibriar toda a gente, porque arranjam

drogas para os fazer saltar mais ou correr mais rapidamente e que não sejam tão facilmente detectáveis

pelos processos analíticos que existem.

Claro que atrás deles, vão os investigadores desenvolver um processo analítico para poderem

detectar essas drogas. Muitas vezes o que acontece, quando se quer determinar um determinado

parâmetro químico, ele existe em tão baixa quantidade que o sistema de detecção que nós possuímos não

tem possibilidade de o detectar.

Das duas uma:

1. ou deitamos aquele sistema de detecção fora e compramos uma coisa que muitas vezes

custa milhares de contos mas também tem as suas limitações em termos de utilização

2. ou então fazemos o que se chama uma pré-concentração da amostra.

Fazer uma pré-concentração da amostra

É usar um sólido em pó com determinadas características das quais nós sabemos qual é o poder

adsorvente desse sólido e fazer passar um volume da amostra durante um determinado tempo, para ficar

retido o parâmetro analítico que pretendemos analisar e depois por processos de eluição sai todo aquele

19

analito, mas de uma forma concentrada que já poderá ser detectada pelo sistema de detecção que nós

possuímos. No laboratório analítico, o que mais se destaca da adsorção são as técnicas quer analíticas de

separação, quer preparativas de separação.

Das técnicas de adsorção de laboratório,

a que mais se destaca é a cromatografia. Na

cromatografia, basicamente, o fundamento é que

várias moléculas são adsorvidas a tempos

diferentes, exactamente porque as afinidades

para o adsorvente são diferentes conforme o tipo

de ligação que se vai estabelecer. Há ligações

mais fortes entre o analito e o adsorvente e depois

de definidas as condições quer de pH, quer de

força iónica, quer de qualidade solvente, quer de temperatura, então é possível estabelecer um equilíbrio

dinâmico a tempos diferentes de forma a que haja uma separação quer qualitativa, quer quantitativa das

espécies que constituem a solução.

Na cromatografia ou nas

técnicas de separação há duas fases que

estão envolvidas.

1. Há uma fase de adsorção

2. outra que implica naturalmente

uma eluição ou dessorção do analito.

A fase de adsorção ocorre na

aquilo a que se chama a parte

estacionária, que é o adsorvente, que

pode ser um sólido, um líquido, a uníca coisa que ele tem é de ser imiscível com a parte móvel, ou seja,

com o líquido que transporta o analito e que constituirá o adsorvato. (quadro de classificação de

cromatografias) São todas cromatografias de adsorção, isto é, há sempre um processo de adsorção

envolvido.

Mas para além do processo de adsorção há outro processo que se junta à adsorção. Num slide

anterior, há:

� um processo de aproximação,

� logo a seguir um processo de penetração

� e só depois um processo de adsorção com formação de monocamada.

Portanto, em todas essas cromatografias é isso que acontece, há sempre processos de adsorção

envolvidos, mas para além disso há outros mecanismos que muitas vezes se sobrepõem ao processo de

adsorção.

20

CCRROOMMAATTOOGGRRAAFFIIAA DDEE AADDSSOORRÇÇÃÃOO

É a mais vulgar;

Como funciona…

Pega-se numa plaquinha com sílica,

com um estilete aplicaram uma amostra e

depois põe-se esta placa a desenvolver

num solvente apropriado. Naturalmente que,

a substância tem uma determinada

afinidade para a sílica, o analito tem uma

determinada afinidade para a sílica, mas

também terá alguma afinidade para o

solvente que promove a subida do analito. E de acordo com essa afinidade as substâncias só migram até

determinado ponto, outras sobem mais.

Naturalmente que essas barras de separação podem ser

utilizadas para identificação dos compostos que estão em solução.

Logo a seguir o processo está aqui indicado, portanto há

uma coluna com material de enchimento. Isto pode ser feito em

coluna mas também pode ser feito em placa. A amostra é

colocada no cimo desta coluna e naturalmente de acordo com as

afinidades relativas vai haver separação das substâncias, que vão

saindo a tempos diferentes da coluna e serão naturalmente quantificadas e qualificadas.

CCRROOMMAATTOOGGRRAAFFIIAA DDEE PPAARRTTIIÇÇÃÃOO

Para além de haver uma adsorção, há

efectivamente um equilíbrio que depende, quer

da concentração da substância na parte móvel a

separar, quer da concentração substância na

parte estacionária. E isto é ditado pelas

características de polaridade, não só do

solvente, mas também da solução.

Um sensor potenciométrico é um

instrumento analítico constituído por uma

membrana dita sensora que não sabe qual é o

ião cálcio nem o nitrato, nem a dopamina,etc... mas trata das suas características fisico-químicas, e essas

carecterísticas são planeadas pela pessoa que controla os sensores.

De acordo com essas características, o que vai fazer é estabelecer uma ligação com os iões que

existem em solução. Ora esses iões vão ficar ligados a uma espécie química que existe na membrana

chamado sensor iónico, vão ter uma determinada afinidade para esse sensor iónico mas também vão ter

afinidade para a solução onde estão contidos. E é exactamente este equílibrio, esta partilha do ião entre a

membrana e a solução que vai ditar a maior ou menor capacidade de detecção. E por isso mesmo é que

21

não há coisas super-selectivas, não há processos de detecção específicos, o que há é processos de

detecção mais ou menos selectivos e então um método analítico deste tipo com certeza, tanto pode ler um

nitrato como pode ler um cloreto, como pode ler um sulfato. Agora, vai ler mais um cloreto relativamente ao

nitrato e ao sulfato se o coeficiente de partilha lhe fôr favorável para ser adsorvido.

Aqui está na cromatografia de partição como é que

tecnicamente se processa. Naturalmente que acoplada à coluna

onde se dá a separação há um sistema de detecção que de

acordo com a concentração e de acordo com a leitura da banda

de separação vai dar origem a um pico, pico esse que é

proporcional à concentração do ião. Naturalmente que o tempo

que demora desde a aplicação da amostra e a saída da amostra

nos dá indicação da maior ou menor facilidade que esse ião tem para se soltar da fase estacionária. E os

iões que ficam demasiado agarrados à fase estacionária, isto é, que o tempo de partilha é favorável à fase

estacionária, vão ficar retidos mais tempo e é esse tempo de retenção que nos permite fazer a

caracterização das substâncias.

Os parâmetros cromatográficos mais característicos são:

� o factor de retenção;

� o volume de retenção, isto é, a quantidade

de eluente que eu tenho de deitar para fazer

sair aquela banda;

� o tempo de retenção.

Os adsorventes há vários e as únicas características

que eu gostaria de destacar é que têm de ter grão fino (quanto

maior fôr a superfície, maior será a adsorção), naturalmente

que não podem ser solúveis na solução a analizar, não podem

reagir e têm que ter um grande poder adsorvente, ou seja, uma grande aptidão para promover a adsorção.

(tipos de adsorventes)

MMAATTEERRAAIISS AADDSSOORRVVEENNTTEESS MMAAIISS CCOOMMUUNNSS

� Carvão activado

� Alumina activada

� Gel de Sílica

� Resinas naturais (zeólitos)

� Adsorventes polares e não

polares

Destes todos, as resinas naturais

estão a cair em desuso, sendo por isso

substítuidas pelas sintéticas.

22

Aqui está o exemplo típico de um cromatograma em que se processa a separação de aminoácidos

e onde vocês vêem que a tempos diferentes vão saindo os diferentes aminoácidos e de acordo com a

concentração deles na solução os picos se tornam mais ou menos altos.

A cromatografia de troca iónica é muito parecida com a cromatografia de adsorção só que com

uma pequena particularidade.

Na troca iónica:

� Parte estacionária: uma resina

� Parte móvel: uma solução aquosa a diferentes pH's.

Nas outras cromatografias (ou será só na adsorção?):

� Parte móvel: solventes orgânicos onde se joga com a polaridade dos solventes.

O processo que está envolvido na separação dos iões são ligações electroestáticas que se

estabelecem entre o analito e a resina e de acordo com a força dessas forças assim o analito poderá estar

mais ou menos ligado. Dentro da cromatografia de troca iónica há várias terminologias.

CCRROOMMAATTOOGGRRAAFFIIAA DDEE PPEERRMMUUTTAA IIÓÓNNIICCAA ((1155..1111))

Processo de purificação (passagem da solução por resinas onde se dá a troca dos iões por outros,

por exemplo Ca2+ --> Na+).

A cromatografia de permuta iónica é efectivamente utilizada como técnica de separação.

Existem várias técnicas analíticas separativas e entre elas destacam-se as cromatografias. Dentro

das cromatografias destacam-se as de permuta iónica ou de troca iónica.

A grande diferença que

existe entre cromatografia de permuta

iónica e a cromatografia de adsorção

é a seguinte: a fase estacionária é

uma fase sólida que contém aniões

ou catiões, e que, embora estejam

covalentemente ligados a uma fase

estacionária que é habitualmente uma

resina, podem trocar iões de carga

oposta que se encontram em suspensão.

Naturalmente que a ligação desses iões que

estão em solução mais a resina, se faz através de

forças mais fracas do que forças electrostáticas e

permite que após a adsorção e por um determinado

tempo, eles sejam removidos, se entretanto no eluente

existirem outros iões cuja afinidade para a resina seja

maior do que a afinidade que os próprios iões ligados já

23

possuem.

Existem várias classificações para a cromatografia de troca iónica. O fenómeno em si é um

fenómeno de permuta. Poderá também ser designado por cromatografia de permuta iónica ou

simplesmente cromatografia iónica.

No fundo a base é a mesma embora hajam designações diferentes e como vos disse, a retenção

das moléculas de soluto com as bases “quaternárias” através de cargas superficiais.

MMEECCAANNIISSMMOO DDEE TTRROOCCAA IIÓÓNNIICCAA

Ex.: A coluna tem uma resina que pode ser de dois tipos. Pode ser uma resina catiónica ou uma

resina aniónica. Normalmente as resinas são polímeros elevados que têm radical comprido, que é

extremamente insolúvel e na ponta têm o chamado ião volátil, um ião que é móvel que facilmente se

destaca daquela ligação e em troca doutro mais sedutor que passe ao lado ele permuta.

Então é o que aqui está

representado neste esquema.

Imaginem que eu tenho uma resina

sódica, portanto tenho o corpo da

resina que é o tal polímero e na

ponta tenho um ião de sódio que

está ali ligado numa ligação mais ou

menos fraca, numa ligação

electroestática e ele não resiste à

passagem de um H+. Quando o H+

passa o que vai acontecer é, porque

a ligação do H+ ao corpo da resina

é muito mais forte, logo faz saltar o Na+ e fica preso o H+. O mesmo acontece com a resina aniónica.

Portanto a resina é constituída por um radical polimérico que aqui está representado por resinas e

que tem ligado um ião, neste caso o sódio ou outro qualquer. A presença de um ião naquele local, que

neste caso é o H+, estabelece-se um equilíbrio de troca em que H+ vai ficar retido temporariamente à

superfície da resina, libertando-se para o meio o catião sódio. Este processo ocorre a tempos diferentes

conforme a maior extensão de ligação do ião à resina.

É esse um dos processos que é muito utilizado na purificação de águas com concentrações

elevadas de NO3- que são os percussores das nitrosaminas. Isto é bastante utilizado em Inglaterra, devido

aos altos níveis de nitrato nas suas águas.

Exactamente porque a resina tem muitos grupos

carregados e portanto ligados à fase estacionária, permite

uma permuta em grande extensão de vários iões e a

permuta pode facilitar a preparação quer de aniões quer

de catiões, de acordo com o ciclo de permutador que pode

ser catiónico ou aniónico.

24

CCAARRAACCTTEERRÍÍSSTTIICCAASS DDEE CCRROOMMAATTOOGGRRAAFFIIAA DDEE PPEERRMMUUTTAA IIÓÓNNIICCAA

Uma característica deste tipo de cromatografia é a fase estacionária que é sólida e inerte, e

habitualmente o eluente (fase móvel) ser constituído (não por um solvente orgânico como nos casos

doutras cromatografias em que a separação se baseia não só na adsorção mas também num coeficiente

de partilha entre um ião, um eluente e um ião da fase estacionária) por um tampão que contém iões que

podem ter mais ou menos afinidade com a resina do que aquele que está temporariamente ligado.

Diferentes tipos de resinas permutadoras usadas

Existem várias fases estacionárias normais:

As de eólitos que são produtos naturais que durante muito tempo fizeram parte da constituição das

resinas de troca iónica, eram muito utilizadas. Hoje em dia, as fases estacionárias mais habituais resultam

da co-polimerização do divinilbenzeno com o poliestireno dando um polímero que tem uma cadeia mais ou

menos intricada. Essa cadeia de acordo com a reticulação que lhe é dada, e essa reticulação advém-lhe

do grau de polimerização da própria resina, confere mais ou menos selectividade ao processo de

separação.

O tipo de permutadores habitualmente utilizados são aqui referidos co-polímeros, estirenos e

divinilbenzenos, são os que têm maior expressão em termo de utilização de cromatografia iónica. No

entanto, também podem ser constituídas por partículas microporosas com fases ligadas ou permutadores

iónicos orgânicos.

Classificação das resinas

É importante saber que existem dois tipos de permutadores: catiónicos e aniónicos.

o Os aniónicos contendo grupos carregados negativamente.

o Os catiónicos contendo grupos carregados positivamente.

(NOTA!- nos acetatos da professora está mal)

As resinas de permutador catiónico fortemente ácido (ex: RSO3-) permitem a separação a todos os

valores de pH. Aqui o controlo é feito basicamente pelo pH, ou seja, pela concentração hidrogeniónica do

tampão que é utilizada no eluente.

25

Como permutador fracamente ácido temos o RCO2-, esse já só permitem separação quando os

pH são superiores aos valores de pK da substância a determinar.

No caso de se tratarem de permutadores aniónicos também eles poderão ser fortemente básicos

e também têm a vantagem de poderem ser utilizados num reino completo de pH, ou então fracamente

básico que permutam só a valores de pH inferiores ao valor de pKa.

EEQQUUIILLÍÍBBRRIIOO DDEE DDOONNNNAANN

O equilíbrio que se dá numa resina, se considerarmos um permutador catiónico na forma do ião

Na+ (catião sódio), e se quisermos passar uma solução envolvendo iões Li+, o que vai acontecer é que o

sódio vai permutar temporariamente com o lítio e estabelece-se um equilíbrio cuja constante de equilíbrio

no fundo determina o coeficiente de selectividade da própria resina, isto é, diz-nos qual a capacidade que a

resina tem de fixar o lítio em substituição do sódio, em maior ou menor extensão do que a fixação do sódio

à própria resina. Este equilíbrio dá-se quando as concentrações dos iões no eluente são superiores à

concentração do ião na própria resina e determina o chamado equilíbrio de Donnan, que representa o

equilíbrio de cargas que existe quer à superfície quer no exterior da resina.

É este equilíbrio que se passa ao nível das nossas células. As trocas de sódio/potássio nas

nossas células (que determinam a bomba sódio/potássio que tem implicações no funcionamento cardíaco

[ritmo cardíaco, etc.]) estão dependentes de uma permuta iónica que é definida através de um equilíbrio

que acaba por determinar a concentração de iões fora das células e no interior. Há formas de alterar este

equilíbrio, quer por medicação, quer por outros processos cíclicos.

Exactamente porque a carga interna da resina é considerável, a possibilidade de atraque de iões

à resina é favorecida. Se tiver um ambiente iónico sedento de cargas, é mais fácil de captar iões do que de

rejeitá-los, e por isso ocorre o tal fenómeno de troca iónica: o equilíbrio de Donnan.

O equilíbrio de Donnan pode ser representado como aqui está indicado:

Se considerarmos um

permutador aniónico fortemente básico

que está na fórmula de anião Cl- (isto é,

temos um polímero de resina e na ponta

temos ligados iões cloreto) e se

quisermos passar uma solução de cargas

Cl-, o balanço de cargas que ocorre dentro

e fora do permutador, a concentração de

R+ da resina mais a concentração de iões

K+, tem de ser exactamente igual à

concentração de Cl- no interior da resina, isto porque tem de haver electroneutralidade e só assim se

entende que as cargas positivas no interior da resina se igualam às cargas negativas. No exterior da resina

também tem de haver electroneutralidade, está a passar KCl, então a concentração fora da resina de K+ é

igual à de Cl-.

26

O produto iónico dentro e fora da resina é dado pelo produto das concentrações dos iões quer do

interior quer do exterior.

Se combinarmos as duas equações vamos chegar a uma equação final onde se conclui que a

concentração de K+ fora da resina tem de ser maior que a concentração no interior. Isto vai contra aquilo

que foi visto acima, que a concentração de iões num ambiente iónico exterior tem de ser sempre superior à

concentração de iões no interior da resina. Quer dizer então que a troca se faz por balanço de cargas, ou

seja, por um balanço de massas.

Se eu passar uma solução diluída frente a uma concentrada, é muito mais provável que a

concentrada troque os seus iões que a diluída, mesmo que os iões da diluída tenham mais afinidade para

a resina do que os da concentrada.

SSEELLEECCTTIIVVIIDDAADDEE EE RREETTEENNÇÇÃÃOO

A ordem de permuta (ou sequência de permuta), está dependente não só da quantidade mas

também é definida por um parâmetro que defende o potencial iónico. Potencial iónico é o potencial de

cargas iónicas que existem no interior e exterior. É definido como carga do ião/raio do ião.

Um ião de carga elevada tem muito mais probabilidades, do que um ião de carga pequena, de

chegar à resina e estabelecer uma ligação. No entanto, não basta isso. Se o ião for de carga elevada mas

tiver um raio grande, vai demorar mais tempo a chegar à resina, e a sua troca será dificultada frente a

outro ião que tenha maior carga mas um raio iónico menor. Esse vai migrar muito mais facilmente e vai

competir com o outro, mas, porque chega mais depressa, liga-se mais rapidamente.

Quanto maior for o potencial iónico, mais firme é a ligação do ião ao permutador. Significa isto

que, iões com elevada carga, promovem extensões de permuta muito maiores que os de menor carga e,

naturalmente, os substituem. No entanto, tudo isto é relativo pois depende inclusivamente da concentração

do ambiente externo da resina.

Então, a reprodutividade dos permutadores catiónicos é por consequente muito maior que a dos

aniónicos.

Os efeitos de concentração podem alterar essa ordem de previsão de separação. Significa que,

quando estamos a fazer cromatografia iónica, podemos escolher como eluente iões que tenham menor

carga do que o ião que está a ser preparado, para facilitar a ligação do ião a ser preparado. Mas, quando

quisermos retirá-lo, só temos que substituir o eluente por um ião de maior carga que naturalmente vai

concorrer com a resina muito mais facilmente, libertando o outro e deixando que ele elua.

Por essa razão, em função do potencial iónico, a sequência de selectividade que é normal

acontecer para os diferentes iões, é a que se encontra acima representada.

27

Por exemplo, o Ce3+ é muito mais facilmente ligado que o Li+, e o Li+ muito menos ligado que o

Zn2+, devido às suas cargas.

A cromatografia ou separação por permuta é ainda alterada por outros factores como o pH da fase

inicial, a concentração do sal e o tipo de espécies iónicas na fase móvel, a adição de solventes orgânicos

ao eluente e a temperatura da coluna. A adição de solventes orgânicos ao eluente que pode ter de

acontecer eventualmente, vai fazer com que os solventes orgânicos modifiquem a polaridade no meio e

assim vão modificar a polarizabilidade do ião. Ao acontecer isso, vão fazer com que ele possa estar em

estados de oxidação diferentes.

Aumentando a temperatura, aumenta a energia cinética dos iões e, por um lado, está-se a

favorecer a sua migração à resina, a sua ligação. Mas se a temperatura for demasiado elevada, acontece

exactamente ao contrário porque aquela agitação vai contradizer a absorção que tem de ocorrer ao nível

da resina.

OORRDDEEMM DDEE EELLUUIIÇÇÃÃOO

Tudo o que foi visto anteriormente pode ser traduzido

nesta imagem em que se pode ver que a ordem de eluição

neste caso, tratando-se de um permutador aniónico, o Cl- é o

que fica mais tempo retido na coluna, significa que a ligação

com o permutador é muito mais forte do que por exemplo, o

ácido acético.

No caso de se tratar, por exemplo, de um nitrato em

relação ao cloreto, reparem que o nitrato fica muito mais

tempo que em relação ao cloreto. A densidade, embora a carga seja a mesma, aqui não é um problema, o

potencial iónico é uma relação que obriga à selectividade, é uma relação entre a carga e o raio iónico.

Muito embora a carga seja a mesma, o que acontece é que o raio do cloreto é consideravelmente maior

que o OH. Significa que a sua retenção é enorme, maior durante um certo tempo. Com o nitrato acontece a

mesma coisa. A densidade de carga varia neste mesmo sentido. Tratando-se de uma resina catiónica, o

processo é exactamente o mesmo.

Para além do tempo que o ião fica retido e que é dado por este tempo de retenção, em função do

volume morto da coluna, é possível aproveitar esta retenção para a quantificação do ião.

Significa que a altura destes tipos que aparecem, são

proporcionais à concentração do ião que fica retido logo lmente vai

sendo eluído com o eluente.

Em função da força do ácido, isto é, em função do valor de

pK do ácido, para uma resina de troca aniónica, quanto mais forte for

o ácido (maior o seu pK), mais tempo fica retido. Então, para se poder

eliminar este ácido que está retido há um tempo bastante elevado em

relação a este, só se tem de passar um eluente ainda mais forte do que o próprio ácido. No caso das

bases, se são bases que o permutador tem de ser catiónico, também a força da base determina o tempo

de eluição.

28

AAPPLLIICCAAÇÇÕÕEESS PPRRÁÁTTIICCAASS

Um bom exemplo de permuta iónica é aquele que pode ser usado na refinação do açúcar, na

separação de moléculas biológicas, na desmineralização da água, na eliminação do Ca2+ e Mg2+

(sobretudo em águas do sul em que são águas duras, e do norte em que são águas moles, têm muito

cálcio e magnésio), dessalinização da água, remoção de metais pesados (o que é extremamente vulgar

em termos ambientais). Não é preciso comprar nenhuma resina para remover esses metais. Há

substâncias naturais que os removem. Por isso, as praias que têm coqueiros são normalmente muito boas

ambientalmente porque as folhas de coqueiro removem bem os metais, funcionam como permutadores.

Verificou-se que estas folhas têm uma capacidade de remoção dez vezes superior que as resinas

sintéticas, bem como aquelas algas que funcionam pelo mesmo processo. São bons descontaminantes

ambientais.

Esta permuta é reversível pois eu posso

voltar a tirar os iões se escolher um eluente que

tenha ou maior densidade de carga, ou seja mais

fortemente ácido, ou seja mais carregado. Pode-se

fazer sair e permutar de forma reversível o ião que

ficou temporariamente lá ligado.

Na pré-concentração de analitos nós

usamos muito processo de troca iónica para locais

que tenham baixa concentração de determinada

espécie e que os processos de detecção não possam detectar.

A conversão de um sal noutro sal é normalmente feita através de uma resina de troca iónica. ex: a

titulação do ácido acético que é extremamente fraco e quando utilizamos uma base para o titular, o erro da

titulação é extremamente elevado. A forma mais normal de o evitar e sabermos qual o tipo, uma vez que a

dissociação não é completa do próprio ácido, é fazer passar uma toma por um determinado volume,

através de uma resina por hipótese com terminais cloreto, todos os COO- do ácido são trocados por Cl-.

Para a solução passa cloreto (por exemplo, se fazemos passar uma solução de acetato de sódio, o acetato

fica ligado à coluna, sai para o eluente o sódio conjuntamente com o cloreto que estava ligado à coluna,

nesta altura o NaCl já pode ser titulado).

O processo mais quotidiano de utilização das colunas de troca iónica, é o processo de

desionização da água. A água tem muitos iões (sódios e cloretos têm maior extrusão (?)) então o que faço

é passar a água por uma resina fortemente catiónica que tem terminais H+ e logo a seguir por uma resina

aniónica hidroxílica que tem terminais OH-. Naturalmente, que todos os sódios são trocados por H+ e os Cl-

por OH-, resultando numa substância pura.

Para não se ficar com ideia de que a cromatografia por troca iónica só serve para iões, aqui estão

exemplos de cromatogramas que são aplicados a outras espécies biológicas:

29

Há determinados ácidos que, conforme o pH, podem estar ou sob a forma de ácido ou anião, ou

eventualmente se forem bases, ou sob a forma de base ou de catião.

Portanto, é possível alterar o pH de uma amostra onde estão contidos esses átomos e outras

moléculas neutras e de acordo com a carga, o valor de pK desse ácido, pode-se excluir iões de moléculas

que possam estar envolvidos com essas substâncias.

Por exemplo: Quando se tem uma fórmula farmacêutica benzoato (que é uma substância utilizada

como conservante nas formulações) com cafeína (é uma molécula neutra), pode-se separá-los se se

operar a um pH com valor superior ao pK de ácido benzóico.

No momento em que se trabalha a pH superior a 4.6, o ácido benzóico não está sob a forma de

ácido benzóico mas sim de benzoato, que tendo carga, pode ficar retido temporariamente na resina,

deixando que a cafeína passe sem haver preocupação nenhuma. Assim, poder-se-á purificar uma amostra

de ácido benzóico com cafeína, ou dosear a quantidade de cafeína e também de ácido benzóico que lá

exista, variando através do eluente, o pKa da solução.

CCRROOMMAATTOOGGRRAAFFIIAA DDEE PPEERRMMEEAAÇÇÃÃOO EEMM GGEELL

Um outro tipo de cromatografia também tem

como base a adsorção. É a cromatografia chamada de

exclusão molecular, permeação em gel ou filtração em

gel, que também tem como base a adsorção.

No fundo é uma cromatografia por tamização.

O que acontece é que num ambiente biológico, onde

grande parte são macromoléculas que podem ter

diferentes tamanhos, utilizando uma fase estacionária

determinada, podemos separar as moléculas grandes das mais pequenas. De acordo com o seu tamanho,

pode-se favorecer a velocidade de eluição de uma delas relativamente a outra.

30

O material utilizado para este tipo de filtração, para este tipo de permeação, para este tipo de

cromatografia de exclusão molecular é uma fase estacionária constituída por um polissacarídeo chamado

dextrano e utiliza normalmente como fase móvel, uma solução também aquosa e habitualmente um

tampão.

Vai acontecer que aquele material de

empacotamento da resina, com aquele polissacarídeo

constituído por moléculas com um determinado

retículo, vai-se introduzir, encher a coluna com esses

polissacarídeos e em cima vai-se deixar uma mistura

de moléculas em que umas têm o tamanho grande e

outras são mais pequenas. O que vai acontecer é que

vai haver um processo de exclusão, um processo de ligação

das moléculas inseridas no poro/retículo daquele polissacarídeo e as moléculas grandes que não

conseguem entrar nesses poros vão sair intactas e a um tempo mais curto do que sairão as moléculas

mais pequenas guardadas naquele retículo. Para saírem vai-se ter de adicionar um eluente que as

empurre para elas saírem.

RREESSUULLTTAADDOOSS AANNAALLÍÍTTIICCOOSS

O perfil de saída dessas moléculas pode-se traduzir

num estilo cromatograma em que se relaciona o volume de

eluição, com a concentração das macromoléculas que existem

e, naturalmente, que o volume de eluição vai depender do

tamanho da molécula.

PPAARRÂÂMMEETTRROOSS CCRROOMMAATTOOGGRRÁÁFFIICCOOSS

Moléculas que tenham volume de eluição baixos são naturalmente moléculas grandes que saem

imediatamente.

As mais pequenas precisam de um maior volume de eluente para sair. O volume de eluição não é

o suficiente para caracterizar a preparação dessas moléculas porque depende das características da

coluna e sobretudo do tipo de material de enchimento dessa coluna. O volume de eluição é exactamente

igual ao da fase móvel, ou seja, o volume morto ou daqueles interstícios que constituem o polissacarídeo

mais uma constante vezes o volume da fase

estacionária.

Exactamente porque este volume de eluição

não é característico só da molécula, mas também

depende de outros parâmetros. Então a melhor forma

de caracterizar este tipo de eluição é através do

31

coeficiente de distribuição que é dado nesta expressão que aqui em cima se encontra.

O significado deste coeficiente de distribuição corresponde ao volume da fase estacionária que

permite a difusão dos iões.

Como é que para calcular aquele coeficiente de distribuição, (e esse sim pode-se relacionar

com a concentração das moléculas), como fazemos para caracterizar todos aqueles parâmetros que

lhe estão associados?

Para calcular o volume de solvente

necessário para transportar através da coluna

as moléculas demasiado grandes, que não

entram nos poros, (no fundo corresponde ao

volume morto da coluna, ao volume da fase

estacionária) usa-se normalmente uma

molécula muito grande, dextrano e fazendo

passar uma solução de dextrano em

determinada concentração, fica-se a saber

qual o volume morto da coluna.

O volume da fase estacionária no interior dos poros é difícil de calcular. Então vai-se fazer de que

forma? Através de isótopos radioactivos.

Então, porque é difícil de calcular isto, o que é normal é, em vez de exprimir o volume de eluição e

todas as outras características referentes à coluna em função do coeficiente de distribuição médio que

relaciona não só o volume de eluição e o morto, como também o volume total da coluna, o volume de

permeação do local, e o volume morto.

Portanto, se se souber o Ve – V0 da coluna, se souber o Vt que inclui não só o volume da fase

estacionária mas também o Vi – V0, fica-se a saber qual é exactamente o coeficiente de distribuição médio

e assim poder-se-á relacioná-lo com a concentração.

(Isto tem de ser feito para cada cromatografia.)

Para moléculas grandes, o valor vai tender para 0, enquanto que para moléculas pequenas vai

tender para 1. Para as moléculas intermédias, o valor K vai ficar entre 0 e 1.

Aqui está representado um cromatograma de uma filtração

em gel e como se pode ver, a variação de K médio em função da

concentração, tem este perfil. A forma de o poder utilizar

analiticamente é então fazer Log K médio em função do volume de

eluição e passaremos a ter para cada concentração, um ponto que

originará uma recta e permitirá calcular por interpolação gráfica, o

valor do tamanho de uma molécula numa amostra definitiva de uma solução de macromoléculas.

32

Primeiro calibra-se a coluna com proteínas de peso molecular conhecido. Estamos agora a falar

de proteínas em vez de macromoléculas porque este é um tipo de cromatografia utilizado para a

separação de proteínas dum ambiente proteico, não só para separação mas também para purificação.

Para cada proteína, para cada peso

molecular, vai ser determinado o tal valor de K

médio. E relaciona-se o -Log PM com o K

médio, faço –Log e dava-me uma recta

exactamente descendente.

Depois, a determinação do peso

molecular de uma proteína desconhecida é

feita determinando com uma coluna, o valor

de coeficiente de distribuição médio através

do Ve-V0 sobre Vt-V0 e depois de saber este

valor, só tenho de calcular o anti-logaritmo e daí deduzir o valor do peso molecular da proteína.

CCRROOMMAATTOOGGRRAAFFIIAA DDEE AAFFIINNIIDDAADDEE

As aplicações analíticas são aqui referidas

algumas. Quer a separação das moléculas de baixo e

elevado peso molecular em produtos naturais, ou

fraccionamento de peptídeos, (o estudo de peptídeos

com fracções diferentes e a sua caracterização é feita

por este tipo de cromatografia), ou fraccionamento e

purificação de macromoléculas (proteínas, ácidos

nucleicos ou mesmo polissacarídeos).

É dos tipos de cromatografia mais utilizados em

Bioquímica. Um caso particular que referimos e que hoje

em dia está muito em voga é a chamada cromatografia

de afinidade.

Arranja-se uma fase estacionária (normalmente um gel de sílica), absorver na fase estacionária ou

uma enzima, ou um anticorpo, ou outro elemento de reconhecimento específico e a passar-se uma solução

que tenha um substrato que seja afim para a enzima ou que tenha um antigénio que seja muito afim para o

anticorpo, pode separar-se após eluição,

selectivamente, substâncias que constituem

essa mistura.

É hoje em dia em termos de

genética, a forma mais comum de separar

substâncias deste tipo.

O mecanismo de afinidade está aqui

representado, consegue através de um

33

recobrimento da fase estacionária, consegue se recobrir ou com uma enzima ou com um polímero e

fazendo passar uma solução passa através dessa fase estacionária recoberta consegue-se fazer atracar

as espécies afins a esse mesmo recobrimento.

Também é muito utilizada na purificação de proteínas:

AADDSSOORRÇÇÃÃOO NNAA IINNTTEERRFFAACCEE GGÁÁSS--LLÍÍQQUUIIDDOO EE LLÍÍQQUUIIDDOO--LLÍÍQQUUIIDDOO:: DDEETTEERRGGÊÊNNCCIIAA

Até aqui estudamos a interface sólido/líquido. Um

dos fenómenos superficiais que no princípio foi referido e

que ocorre em grande extensão nas interfaces líquido-

líquido é o fenómeno das detergências. Temos uma fase

líquida em contacto com uma fase gasosa, ou uma fase

34

líquida em contacto com uma fase líquida com características de miscibilidade diferentes.

E se se adicionar um determinado tipo de substâncias chamadas agentes tensioactivos vai dar-se

conta do seguinte, que esses agentes se localizam na interface seja ela líquido/gás ou líquido/líquido.

Os agentes tensioactivos são moléculas que têm uma cadeia hidrocarbonada (e portanto,

hipófila) e um grupo funcional hidrófilo. Eles têm umas características especiais porque além de actuarem

a baixas concentrações, eles possuem baixa tensão superficial e diminuem a energia livre de Gibbs

fazendo com que todo o sistema onde são incluídos, baixe a sua tensão superficial. Em conclusão, são

substâncias que fazem baixar a sua tensão superficial.

E exactamente porque eles têm uma

parte hidrófila e uma cauda de hidrocarbonetos

alifáticos que é lipófila, eles são muito “espertos” e

vão colar-se com a parte hidrófila virada para a

parte da solução hidrófila e a parte lipófila ligada à

parte lipófila.∗

Se não existisse a lexitina dipalmitil nos

nossos pulmões (um agente tensioactivo) nós morríamos. Por isso é que há bebés que nascem com

aquela cor cianizada e acabam por não conseguir fazer as trocas de oxigénio ao nível pulmonar.

A lexitina dipalmitil é um agente tensioactivo que se localiza nos alvéolos pulmonares e tem por

missão estabelecer um contacto próximo entre o ar que é mais lipófilo e a água que banha as paredes dos

alvéolos e aí facilitar a troca de oxigénio.

Portanto, a detergência e os agentes

tensioactivos não têm só influência nas

espécies artificiais mas também nos processos

naturais.

Aqui estão bons exemplos de agentes

tensioactivos que são utilizados:

Moléculas neutras, catiónicas e

aniónicas e hoje em dia começam a ser um

grave problema ambiental. Por isso os

detergentes começam a deixar de ser um facto.

A indústria têxtil do Norte está a

contaminar com agentes tensioactivos que são utilizados na fase de acabamento dos tecidos, brutalmente,

os nossos rios.

É devido à quantidade de agentes tensioactivos que aconteceram estas desgraças ambientais.

Também nesta área os licenciados farmacêuticos têm papel importante a desempenhar, quer na

prevenção (desenho de moléculas que possam fazer as funções que devem fazer nestas indústrias mas

sem serem contaminantes a este ponto) ou na quantificação ou detecção dessas substâncias.

∗ Agora entende-se porque OMO lava mais branco, porque sendo um agente tensioactivo, as moléculas dele põem a cauda ligada às nódoas e a cabeça hidrófila ligada à água, promovem o abaixamento da tensão superficial, se a promovem, o ângulo de molhamento torna-se menor e é mais fácil a remoção das nódoas.

35

Os mais tóxicos e que hoje em dia estão a ser progressivamente mais usados são os neutros. Não adianta

deitar Fairy na banca à molhada por uma razão, porque os agentes tensioactivos actuam até determinada

concentração a partir da qual não vale a pena deitar mais porque não adianta.

A detergência é a adsorção de moléculas à superfície de um líquido, quer ele esteja em contacto

com um gás, quer esteja em contacto com outro líquido. Essa adsorção é feita com moléculas que têm

características muito especiais.

Estas moléculas são chamadas detergentes, agentes anfifílicos, agentes tensioactivos ou

agentes tensores visto que têm uma característica especial: possuem uma cadeia hidrocarbonada muito

grande que na extremidade tem grupos iónicos (catiónicos, aniónicos). Poderiam ter características mistas

dependendo do pH.

Imagine-se uma interfase, um líquido

em contacto com um líquido ou então com um

gás. Quando se adiciona um agente

tensioactivo, que tem uma cauda apolar e uma

parte que é extremamente polar, este orienta-se

por adsorção em função da polaridade de uma

das interfases relativamente à outra. Esta

adsorção vai-se dando até um limite, a partir do

qual não há possibilidade de a camada

superficial desta interfase adsorver mais

moléculas deste tipo. Nessa altura, o excesso

de tensioactivos que se adiciona, vai formar

micelas•, à medida que ocorre adsorção, o número de monómeros adsorvidos na interfase vai aumentando

até atingir um limite de saturação que corresponde à formação dessas micelas, isto é, atinge-se aquilo a

que se chama a concentração micelar crítica∗

Estabelece-se uma ponte entre uma zona de alta polaridade com uma de baixa polaridade, logo

tendem a aproximar as moléculas duma fase com outra fazendo baixar a tensão superfícial. A adsorção vai

aumentando progressivamente, até se atingir um limite de saturação na interfase e depois de se atingir

esse limite de saturação começa a ocorrer a formação de micelas e quando ocorre a formação de micelas

atinge-se aquilo a que se chama a concentração micelar crítica. A partir dessa altura não há mais

possibilidade de solubilização.

NOTA:

Exemplo: No trabalho nº2 utilizou-se um agente tensioactivo a ser adsorvido na interfase líquida,

no caso particular é a água. Um engano nos cálculos e uma medição de concentração de butanol superior

à necessária, leva a que nos primeiros balões se consiga que haja uma homogeneidade da solução, isto é,

a formação de uma só fase. Contudo, nos últimos balões há a diferenciação de fases, isto é, atingida a

• Uma micela é um agregado molecular de monómeros de agentes tensioactivos. ∗ A partir deste momento, não adianta deitar mais detergente do que aquele que é necessário porque a partir de determinada concentração, nomeadamente a concentração micelar crítica. Já não é possível haver mais adsorção à superfície, na interfase e não havendo adsorção à superfície, as funções do detergente deixam de ser executadas já que esta substância tem como particularidade o fazer diminuir a tensão superficial.

36

concentração micelar crítica a solução deixa de estar homogénia para passar a estar cheia de

aglomerados moléculares que nessa altura formarão a outra fase diferente da fase aquosa.

⇓ Significa então que

se representarmos o que acontece à concentração micelar crítica, não em termos de adsorção

mas sim em termos de tensão superficial e se se adicionar monómeros, à medida que o número de

monómeros aumenta, a tensão superficial vai descendo exactamente pelas propriedades já referidas,.

Naturalmente que quando há a saturação da interfase, a tensão superficial atinge um valor mínimo a partir

do qual começa a haver estabilização da tensão superficial e começa a ocorrer a formação de micelas.

Lá está, não vale a pena adicionar mais detergente a partir desta concentração porque as

funções dele são exactamente fazer diminuir a tensão superficial e deixa de ocorrer a partir desse ponto. É

assim que os ácidos gordos são adsorvidos ao nível das células. Temos agentes tensioactivos naturais

que vão fazer exactamente o transporte ou facilitam o transporte dessas moléculas que são extremamente

hidrofóbicas mas essa adsorção ou esse transporte está limitado pelo valor de concentração de gordura e

naturalmente pela formação da concentração micelar crítica. Por essa razão é que, determinadas

substâncias em excesso deixam de ser adsorvidas e formam bolcos de gordura em determinadas artérias

provocando as doenças cardíacas.

O que resulta do fenómeno de detergência e da adsorção à superfície, há um conjunto de

propriedades físicas que alteram bruscamente na zona da concentração micelar crítica. E são muitas

vezes essas propriedades físicas1 que são utilizadas para determinar este parâmetro que é de extrema

importância sobretudo sob o ponto de vista biológico.

condutividade molar

A condutividade molar vai decrescendo e na zona da concentração micelar crítica há um

decréscimo brutal. Em solução, quem transporta a electricidade, quem transporta os electrões são os iões.

No momento em que se adiciona monómeros que têm certamente uma carga, têm uma cadeia

hidrocarbonada mas têm na ponta uma carga, estas moléculas vão conseguindo ainda transportar

electrões. Mas vai havendo uma associação para formar as tais micelas e quando se forma as micelas,

elas formam uma molécula toda rodeada, como senão tivesse carga. Logo a condutividade vá

descrescendo progressivamente porque os monómeros estão a ser

adsorvidos na interfase e quando se atinge a formação das micelas, ou

seja, na faixa da concentração micelar crítica, a condutividade eléctrica

na solução reduz brutalmente porque já não existem particulas que

possam fazer esse transporte de electrões.

pressão osmótica.

A pressão numa solução é directamente proporcional, ao

número, à massa de iões que se coloca nessa solução, indicando a

pressão osmótica.

À medida que os monómeros estão a ser adicionados, a

pressão osmótica vai aumentando. No momento em que esses

1 O que tiver ------- são propriedades físicas

37

monómeros se reunem para formar agregados micelares a pressão osmótica deixa de variar para

estabilizar.

⇓ Significa então que:

Determinando este ponto (ver imagem), a intersecção entre estas duas zonas, pode-se

determinar a concentração micelar crítica.

O parâmetro que mais varia com os agentes tensioactivos, é a tensão superficial.

quando começa a haver adsorção dessas partículas, há um decréscimo bruto da tensão

superfícial que atinge um limite mínimo e que depois passa a haver uma estabilização.

Exemplo: no trabalho 2, há um decréscimo da tensão em função da concentração do butanol que

deitavam na água.

⇓ "Mas porque é que depois de atingir esse mínimo, ocorre uma subida e logo a seguir uma

estabilização?"

Porque também aqueles agregados micelares se vão orientando e vão cedendo alguns

monómeros para a solução e vão adquirindo outros monómeros até haver um equílibrio. As próprias

micelas acabam por funcionar como uma interfase de adsorção de monómeros e de cedência de

monómeros. Enquanto não existe esse equílibrio, há uma variação na tensão superfícial.

Tradução matematicamente

dessa adsorção à superfície, na

interfase líquido-líquido ou na interfase

líquido-gás

Pode-se quantificá-la

através duma isotérmica,

nomeadamente a isotérmica de Gibbs

que diz que, se se considerar duas

fases:

uma fase alfa

uma fase beta→ contém um

soluto que vai ser adsorvido na fase alfa

Portanto, a concentração à superfície, ou seja, o excesso de concentração à superfície das

moléculas que constituem a fase beta, relativamente à alfa, pode ser traduzida da forma como está

representada na figura.

Esta adsorção é directamente proporcional à variação da tensão superfícial e é inversamente

proporcional ao logaritmo natural da actividade desse soluto que está a ser adsorvido.

Com soluções muito diluídas, a actividade não é o mesmo que concentração.

Atenção: trabalhando-se com concentrações muito diluídas

pode-se confundir a actividade com concentração e nessa altura, a

isotérmica de Gibbs passa a ser uma representação em função da

concentração e não em função da actividade, já que o logaritmo natural da

actividade é igual ao logaritmo natural da concentração mais o logaritmo natural de uma constante.

38

Se se transformar logaritmos naturais em logaritmos decimais (lnaB=lnCB+lncont e d lnaB ≅ d

lnCB, basta por 2.303 e a expressão anterior toma a seguinte forma:

ΓB (tau)= excesso de concentração à superfície (moles m-2); o excesso de concentração de

molécula de soluto da tal fase B, que neste caso seria do butanol à superfície da água em moles por

metros quadrado.

CB= concentração molar ou actividade molar da substância adsorvida

γ (pi)= tensão superficial (Nm-1)

RREEPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO GGRRAAFFIICCAAMMEENNTTEE AA IISSOOTTÉÉRRMMIICCAA DDEE GGIIBBBBSS..

Se se tem para um

agente tensioactivo, uma

representação gráfica como a da

figura, em que, para determinados

valores de concentração, se ela

não for muito elevada, tem-se a

linearidade da função.

Se tiver pi versus

logaritmo de c tem-se a

linearidade da função.

Esta função é linear e é

decrescente, o que significa que o declive da recta é negativo e aplicando este declive da recta na

expressão correspondente à isotérmica de Gibbs

↓

Passa-se a ter uma adsorção positiva à superfície, na interfase líquido-líquido ou líquido-gás. Já

o mesmo não acontece se se tiver substâncias que em vez de diminuirem a tensão superficial, provocam

um aumento da tensão superficial. Estas substâncias vão originar uma isotérmica de Gibbs em que o

declive é positivo e a adsorção à superfície é negativa.

Estas substâncias são normalmente aquelas que se solubilizam no seio da fase e não têm

capacidade de se deslocar para a interfase como é o caso dos agentes tensioactivos.

EXEMPLO: A forma de utilizar analiticamente a isotérmica de Gibbs é aquilo que se faz na aula:

Efectua-se medidas de tensão superficial em soluções com diferentes concentrações de soluto.

Faz-se um gráfico de pi versus logaritmo de PV

Obtem-se uma recta que pode ser positiva ou pode ser negativa.

De acordo com o declive da recta:

39

� se ele for negativo → há adsorção é positiva, logo há presença de um agente

tensioactivo.

Ex.: Os sabões, os ácidos gordos, as aminas, as próprias proteínas têm funções

tensoras.

� Se ele for positivo → há uma adsorção negativa.

Ex.:os açúcares, os polissacarídeos ou qualquer coisa que se dissolva numa solução.

VVAARRIIAAÇÇÕÕEESS DDAA TTEENNSSÃÃOO SSUUPPEERRFFIICCIIAALL EEMM FFUUNNÇÇÃÃOO DDAA CCOONNCCEENNTTRRAAÇÇÃÃOO DDEE TTEENNSSIIOOAACCTTIIVVOO

Três tipos de comportamento de substâncias.

Tipo 1→ aumento da tensão superficial em função da

concentração e são substâncias (compostos orgânicos) que normalmente

têm grupos OH ou COOH e um grupo apolar;

Tipo 2→ decréscimo da tensão é uma coisa muito atenuada; Ex.:

sais inorgânicos e sacarose

Tipo 3→ decréscimo brutal da tensão até atingir a concentração

micelar crítica e depois uma estabilização da mesma. Ex.: Sais orgânicos de cadeia média (sabões,

RCOONa+); sais de amóni quaternário [(CH3)3RN+Cl -]; compostos de polioxietileno [R(OCH2CH2)nOH

em que n=5-15]

↓ Os grupo funcionais, signicam:

que se se fizer um sitema constituido por três fases, em que por exemplo temos água, noutro

fenol e finalmente, noutro temos uma substância tensora, isto é uma mistura de água e fenol→ Se se

tentar dissolver fenol em água, até uma determinada concentração, temos uma fase única, isto é, o fenol

solubiliza-se em água.:

Até cerca de 7% de fenol há uma fase homogénea porque todo o fenol se solubiliza em água.

A partir de 7% há a formação de duas fase, não é possível dissolver mais fenol em água. Só é

possível através da adição de um agente tensioactivo.

Atenção tentar perceber pelo gráfico….

E então se se considerar que aqui está

fenol e aqui está água, vai-se ter uma zona→ esa

zona daqui é uma zona perfeitamente

homogénea, depois vou ter uma zona que aqui

está representada por isto, uma zona onde não há

solubilização, há a formação de duas fases. Mas

quando o fenol passa a estar em muito maior

quantidade que a água, ocorre outra vez a

formação de uma fase homogénea. Agora, se eu me localizar aqui, eu posso transformar esta fase

heterogénea em homogénea se eu adicionar progressivamente quantidades de agente tensioactivo.

Se eu for aumentando desde 0 a 100% a quantidade de agente tensioactivo, eu atingo uma fese

homogénea. Claro que o mesmo já não acontece aqui. Eu posso aumentar, passo por uma fase

homogénea mas logo a seguir passo por uma fase heterogénea.

40

↓ Isto tem haver com quê?

Tem haver com a distribuição das próprias micelas que formam agregados que podem ser em

forma de:

� Bastonete

� em placas.

Utilização dos agentes tensioactivos

são muitas vezes utilizados para alterar a solubilidade das substâncias só que essa alteração

tem que ser estudada em função da concentração ou em função da percentagem relativa de soluto e de

solvente.

É muitas vezes utilizada na indústria para tornar, por exemplo um xarope que está com um

aspecto de duas fase porque tem um composto hidrofílico misturado com um composto hidrofóbico e é

desagradável para o doente ver um xarope com duas fase. Normalmente utiliza-se um agente tensioactivo

em determinada concentração para as duas fases se misturarem razoavelmente de forma a formar uma

fase totalmente homogénea.

Claro que esta adição tem que ser feita com cuidado e através de estudos para não ocorrer que

por um aumento de concentração de agente tensioactivo, se caia outra vez numa situação de dupla fase.

Com isto acabamos

FFEENNÓÓMMEENNOOSS DDEE TTRRAANNSSPPOORRTTEE

1. MOLÉCULAS DE GÁS (por não haver interacções entre moléculas)

Uma molécula, quando está a uma determinada temperatura, tem uma determinada energia

cinética e o seu movimento no meio é determinado em função dessa energia cinética.

E ao aumentar a temperatura, naturalmente que aumentam:

1. as vibrações;

2. as rotações; dessa molécula o que determina com certeza o seu movimento.

3. as translações

Significa então que:

o movimento das moléculas, que normalmente é um movimento aleatório e não um movimento

direcionado é dependente da (ou seja, a velociadde depende de ):

� temperatura

� tamanho

� sua forma

Para uma dada temperatura e para uma determinada molécula pode-se calcular:

� a probabilidade de uma molécula ter uma velocidade particular

� a velocidade média para todas as moléculas

41

Segundo Maxwell Boltzmann: Em moléculas de gás, se se fixar a temperatura, para moléculas

de características semelhantes, ou seja de massas semelhantes, a probabilidade de encontrar com a

mesma energia um determinado número de moléculas é uma.

equação→

Portanto, pode-se concluir que para uma determinada temperatura e para uma molécula

característica ou com um determinado peso, pode-se calcular a probabilidade de a molécula ter uma

determinada energia e portanto ter uma determinada velocidade movimento e a velocidade média de todas

as moléculas em função dessa energia.

Segundo a equação de Maxwell Boltzmann , a probabilidade de encontrar um número de

moléculas com uma determinada energia é função exponencial

da temperatura e também da energia média das partículas.

⇓ Significa então que:

Para diferentes temperaturas, a probabilidade de

encontrar um maior número de moléculas com uma determinada

velocidade se localiza nesta zona se a temperatura for 0ºC, ou

se for 2000ºC naquela zona.

2. NO CASO DOS LÍQUIDOS,

Os movimentos de rotação e translação já estão muito mais limitados porque nos líquidos, as

partículas estão muito mais condensadas e portanto o seu movimento será muito mais limitado por algo

exterior do que propriamente pela sua própria resitência.

Enquanto que:

nos gases → a velocidade das moléculas é quase só dependente da energia que se lhes

fornece, porque quase não há interacções moleculares, n

nos líquidos→ PARA ALÉM DISSO há também interacções com as moléculas vizinhas que por

muito que se queira ter uma velocidade determinada, há sempre choques com as moléculas vizinhas que

vão reduzir a sua velocidade.

De que depende a velocidade movimento das moléculas?

� Da temperatura

� Do tamanho e forma da molécula

42

Nota: formas esféricas vão ter movimentos muito mais rápidos do que formas assimétricas de

igual peso molecular.

↓ Porquê

Exemplo: se fossemos todos magrinhos e fossemos entrar para um autocarro, com certeza que

entravamos todos com uma determinada velocidade. Se por acaso aparece um gordo no meio de nós,

naturalmente que a velocidade já é condicionada por essa pessoa conseguir encaixar no meio do magros

que vão entrar para o autocarro.

↓ significa que:

Quando se adiciona um sal a uma solução, há inicialmente formação de iões, que depois de

solvatarem vão formar partículas de determinado tamanho que consoante a temperatura, vão-se difundir a

velocidade diferentes, isto é, vão-se movimentar a velocidades diferentes.

E esse movimento aleatório das moléculas é denominado difusão

⇓ pode ocorrer por diversas questões:

Pode ser resultante de gradientes de concentração;

Pode ser função do potencial eléctrico;

Pode ser função da pressão.

Voltando ao exemplo do autocarro:

Se se tiver duas populações de

moléculas ( uma parte verde escuro e outa parte

verde claro), e se forem todas a entrar para o

mesmo autocarro, nota-se que numa zona estão

os verdes escuros e noutra zona estão os verdes

claros.

Naturalmente que as pessoas quando

entram no autocarro, vão tentar procurar

aleatoriamente um local mais cómodo para se

poderem agarrar. E então o que acontece é que se vão misturando com aquelas que já lá existem.

⇓ Significa que:

1. Ao fim de algum tempo, se se for registar o perfil de concentração dessas substâncias, das

verdes escuras que entraram numa paragem, e das verdes claras que já lá estavam, dá-se conta que esse

perfil de concentração das verdes escuras vai decrescendo a esquerda para a direita , ao contrário das

verdes claras que vão crescendo.

2. Chegado a determinada altura, ao fim de algum tempo, já está tudo tão misturado que já não

se consigue saber quais são os verdes escuros que entraram numa paragem e os verdes claros que já lá

estavam.

Conclusão: a difusão ocorre com um determinado movimento e esse movimento é

perfeitamente aleatório e é função da:

� energia que cada molécula tem

� probabilidade que ela tem de ocupar os espaços.

43

Atenção, lá vamos nós outra vez com a história do autocarro

As pessoas mais cansadas ficam à porta do autocarro e não vão procurar lá atrás um local para

se agarrarem e naturalmente que virem alguem gordo à frente, terão muito mais difuldade em procurar um

lugar para se poderem misturar.

A difusão tem em base este fenómeno em que:

os substractos são adsorvidos e são penetrados nas célula e esse transporte é função da massa

das partículas e vai sempre de uma zona de alta concentração para uma zona de baixa concentração.

O movimento aleatório das partículas faz com que elas choquem umas com as outras e esses

choques determinam o movimento das mesmas.

Atenção: não há só movimento das partículas por difusão por gradiente de concentração, nem

movimento das partículas porque há movimento aleatório. Qualquer partícula sujeita a um campo

gravitacional naturalmente deixa de ter um movimento aleatório para passar a ter um movimento

direcionado.

O que acontece quando se sujeita uma mistura de moléculas a uma centrifugação.

De acordo com a velocidade de centrifugação e se se escolher a força centrífuga adequada

pode-se separar tecnicamente moléculas com determinado peso molecular, outras mais pequenas e outras

ainda mais pequenas.

� As únicas moléculas que depositam por acção de um campo gravítico natural são:

� os ribossomas;

� os vírus;

Todas as outras moléculas que são constituintes dos nossos líquidos extra-celulares têm que ser

separadas por centrifugação a várias pressões. Logo, essa velocidade de sedimentação que é função do

movimento das partículas, é dependente da sua:

� Massa;

� Tamanho;

� forma,

⇓

Porque muitas vezes partículas grandes que têm formas assimétricas são mais difíceis de

separar por um processo natural de força de pressão baixa do que propriamente moléculas de valor

intermédio.

Atenção: quando se coloca alguma coisa numa centrífuga, é só o fenómeno de pressão, é só o

fenómeno de centrifugação que comanda esse depósito. Há naturalmente um fenómeno intrínseco que é o

de difusão, de mistura das moléculas mais pequenas com as maiores que ao equilibrar-se com a

sedimentação determina a sepração das moléculas.

Por isso se se observar um tubo de uma centrífuga, apercebe-se que no topo da centrífuga

estão localizadas as moléculas mais pequenas, mas essa localização não é uma coisa recta. Há sempre

44

uma zona mais ao menos mal definida que implica que o fenómeno que aqui está a ocorrer é um

fenómeno misto de sedimentação e difusão.

FFEENNÓÓMMEENNOO DDEE TTRRAANNSSPPOORRTTEE:: SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

Mas a sua localização não é uma coisa recta. Há sempre uma zona mais ou menos definida que

implica que o fenómeno que aqui está a correr

⇓

Fenómeno misto: centrifugação e difusão.

Prque há um equilíbrio, há um arredondamento nesta zona.

O gradiente de concentração que se estabelece no tubo da centrífuga é

consequência do peso molecular das moléculas

FFEENNÓÓMMEENNOO DDEE TTRRAANNSSPPOORRTTEE:: VVIISSCCOOSSIIDDAADDEE

Fenómeno em função da pressão interna das moléculas.

Viscosidade de um fluido – medida da resistência ao fluxo

As moléculas, em locais diferentes do fluido, têm velocidades

médias diferentes na direcção do fluxo.

Isto é as moléculas internamente, chocam umas com as outras

devido aos fenómenos de difusão. E esse chocar cria uma certa resistência

ao seu fluxo.

⇓

Surge então o fenomemo fico: VISCOSIDADE

↓ depende:

� Forma das moléculas

� Da forma como interagem

� Aumenta sempre com o aumento da concentração, tamanho das

moléculas e moléculas de solvente.

Também a viscosidade pode servir para caracterizar:

� Tamanho

� Forma das moléculas.

Se tivermos um líquido a correr de forma aerodinâmica num tubo, isto é, não ser turbulento,

verifica-se que nas paredes junto ao tubo, a velocidade é mínima, comparada com a velocidade no meio

do tubo.

⇓

Significa que:

� As moléculas que estão no meio chocam entre si e portanto odem ter uma determinada

velocidade

45

� Os que estão encostadas ao tubo, para além de chocarem entre si, ainda excercem

determinado atrito com as próprias moléculas sólidas que constituem o tubo, fazendo

retardar o seu movimento (das moléculas)

Por isso é que o perfil do fluxo é um perfil deste tipo.

NOTA: Em MIA, as técnicas de automatização do luxo continuo, a introdução de um líquido por

injecção num sistema de fluxo contínuo se faz por este perfil.

Logo, para esta dispersãonpode ser controlada pela velocidade e não só pelas carcterísticas da

própria solução que introduziu-se.

RECORDANDO:

O movimento das partículas podia ocorrer devido:

� Gradiente de concentração (difusão)

� Pressão interna

� Sedimentação

� Viscosidade

� Potencial de electrodo

FFEENNÓÓMMEENNOO DDEE TTRRAANNSSPPOORRTTEE:: EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE

Temos:

- Duas tinas com uma solução

- Coloca-se uma fita de acetato

de celulose onde se colocar

outra fita (tipo as de

cromatografia) por cima, e

nessa última fita, aplica-se a

amostra.

Por variação do pH da solução, pode-se transformar estas moléculas, em iões.

Aplicando uma difereça de potencial de elctrodo a esta solução→ pode-se obrigar a migrar catiões

para os pólos negativos e os aniões para os pólos positivos.

Esse movimento de migração é em função da carga, tamanho e forma das moléculas.

Exemplo: O perfil das proteínas do soro (separação das proteínas), tais como gamaglobulina e

betaglobulina, é feito por electroforese.

46

Conclusão: as PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDOO TTRRAANNSSPPOORRTTEE em estudo são:

� Difusão e Sedimentação – medem o transporte demassa

� Viscosidade – mede o transporte de momento

� Electroforese- mede o transporte de carga

↓

Em todas as situaçãoers, dão-nos indicação sobre as moléculas: tamanho, forma

PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDEE TTRRAANNSSPPOORRTTEE:: AAPPLLIICCAAÇÇÕÕEESS

As propriedades são utilizadas em:

� Purificações

� Separações· Partículas celulares, proteínas e ácidos nucleicos

� Análises

E no caso particular da sedimentação e da electroforese em gel, a aplicabilidade deles é muito

relacionada com os aspectos bioquímicos.

SEDIMENTAÇÃO – permite o fraccionamento baseado nas diferenças dos coeficientes de

sedimentação, ou seja, velocidade em que esta depende da massa da partícula, do seu formato e da

densidade relativamente ao solvente onde está incluído.

ELECTROFORESE DE GEL – usada para separar proteínas nativas que diferem entre si pela carga ou

proteínas desnaturadas que diferem entre si por uma unidade peptídica ; usada para separar ácidos

nucleicos que diferem entre si por um nucleótido e por isso determinar a sua sequência destes nucleotídos;

separa fragmentos de DNA

CCOONNCCEEIITTOO DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO:: CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO

A difusão ocorre sempre que há uma diferença de concentração no recipiente. A difusão tende a

igualar as concentrações nos dois lados do recipiente.

A difusão pode ser um método efectivo de transporte de moléculas.

Ocorre de um local com maoir concentração para um ocal de menor concentração

Processo lento que pode ser acelarado por agitação. Mas, se não ocorrer mais nenhum fenómeno

o transporte/movimento aleatório das moléculas, a difusão é um processo lento.

Exemplo.: quando mexemos o café é para o açúcar se dissolver todo no café. Se nada fizessemos,

quando o açúcar tiveese dissolvido, o café já estaria frio.

47

DDIIFFUUSSÃÃOO EEMM EESSTTAADDOO EESSTTAACCIIOONNÁÁRRIIOO::CCOONNCCEEIITTOO DDEE FFLLUUXXOO DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO

Pode faze-se através do fluxo de difusão.

Se se admitir que as moléculas em solução atravessam uma secção

unitária, num plano yz.⇒ fluxo de difusão será a quantidade de soluto

(numero de moléculas ) que se difunde através unidade de área, por

unidade de tempo, na direcção x.

Esse fluxo de difusão pode ser representado matematicamente por

variação de m(massa ou numero de átomos) em ordem ao tempo, e é

naturakmente inversamente propocional à área que as moléculas atravessam.

⇓

O fluxo é muito mais rápdo quanto menor a aréa que a molécula tem que atravessar

EXPRESSÃO MATEMÁTICA: dt

dM

A

1

t.A

MJ ×==

M- massa (ou número de átomos)

A- área

t- tempo

J- em átomos/cm2.s ou mol /cm2.s ou equivalente

É CONSEQUÊNCIA daquilo a que se chama MOVIMENTO BROWNIANO.

DDIIFFUUSSÃÃOO EE MMOOVVIIMMEENNTTOO BBRROOWWNNIIAANNOO

Em solução, as partículas de soluto estão em contínuo movimento devido

à energia térmica do sistema = Movimento Browniano.

As moléculas de soluto colidem continuamente com as moléculas de

solvente e a energia cinética transferida às partículas de soluto provocam o seu

movimento aleatório, através da solução.

Se existir uma diferença de concentração de soluto entre duas zonas da

solução, existirá uma migração (difusão) do soluto das regiões de elevada concentração para as regiões

de baixa concentração, até haver igualdade de concentração, nas duas regiões. No equilíbrio, a difusão

pára embora as moléculas de soluto continuem a mover-se.

Não há migração porque o gradiente de concentração desaparece.

EINSTEN→ resolveu quantificar esta difusão

(através do coeficiente de difusão) em função do

raio das partículas.

Esta difusão é inversamente proporcional ao

quadrado do raio das partículas.

48

Conseguiu calcular que a variação de movimento das partículas (espaço que elas percorriam) era

directamente proporcional ao coeficiente de difusão e ao tempo quue elas demoravam a difundir.

⇓

So que esta proporcionalidade não é directa: o quadrado da distância que era percorrida por estas

substancia é que é porpocional ao coeficiente de difusão ao temp que demoravam a progredir.

DDIIFFUUSSÃÃOO EE MMOOVVIIMMEENNTTOO BBRROOWWNNIIAANNOO

Isto significa que há uma

relação proporcional entre a variação da

concentração, num ponto e noutro, de

uma superfície, quando as moléculas

atravessam uma distância x.

Então o fluxo de difusão é

directamente proporcional ao tal

gradiente de concentração (que

corresponde à variação da

concentração relativamente à variação

de distância que as moléculas

atravessam).

O movimento das moléculas é em função do excesso de concentração num ponto e do défice de

concentração noutro ponto.

CONCLUSÃO: Segundo Einstein, pode-se representar geometricamente o movimento das partículas

numa determinada área, apercebendo-se que inicialmente o maior numero de partículas se localizava no

ponto roxo segundo uma curva browniana. Se se esperar algum tempo, a concentração vai decreser do

ponto roxo e vai amentar progressvamente para os lados.

No fundo, a equação de Einstein, dá-nos uma indicação da distancia média de cada partícula que

funde por tempo, mostrando o tempo que é necessário para que a difusão ocorra em função da distancia

que as partículas tem de percorrer.

RREESSUUMMIINNDDOO::

Para além de outros fenómenos, também indicamos o transporte de moléculas.

� Sedimentação

� Electroforese em gel (no caso da diferença do potencial eléctrodo)

O processo de difusão corresponde ao transporte de uma quantidade de moléculas quando se

deslocavam numa determinada área e num determinado tempo.

Uma molécula quando está em estado estacionário, isto é, não há nenhuma força externa que

impulsiona o transporte das moléculas para além do seu próprio movimento aleatório. Então, o fluxo de

49

difusão é constante ao longo do tempo, isto é, o número de moléculas que se desloca é sempre o mesmo,

qualquer que seja o tempo. E esse fluxo é directamente proporcional ao gradiente de concentração quando

estas moléculas atravessam uma indeterminada substância e segundo a relação de Einstein.

O quadrado do deslocamento das moléculas é directamente proporcional à difusão e ao gradiente

de concentração.

Um britânico, quando estava a observar ao microscópio, a partícula de pólen, apercebeu-se que o

seu movimento se fazia aleatoriamente com moléculas a chocarem, mas com as outras e ocupando espao

sucessivamente espaços diferentes. Isto é o movimento fazia-se num sentido demorando um determinado

tempo.

11ªªLLEEII DDEE FFIICCKK

A 1ªlei diz que o fluxo é directamente

proporcional à variação da concentração em ordem ao

percurso das moléculas executem.

Claro que, sabendo nós que o fluxo é uma

variação das moléculas numa determinada área e de

tempo, pode-se relacionar esta variação com a lei de

Fick.

Naturalmente que o sinal negativo surge,

porque as moléculas passam de uma zona de alta

concentração para uma de baixa concentração. O fluxo

acaba por ser positivo embora essa variação seja negativa.

O conceito de coeficiente de difusão resulta da expressão:

Pode ser útil na caracterização das moléculas, do percurso e da sua forma. As unidades em que

se exprime são cm2/s ou m2/min (significado físico é o percurso que as moléculas têm por unidade de

tempo).

É de realçar que se for um estado estacionário, o percurso é sempre constante em função do

tempo. O mesmo já não acontece quando o fluxo não é estacionário.

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO:: EEQQUUAAÇÇÃÃOO DDEE AARRRRHHEENNIIUUSS

Naturalmente que, sendo a difusão determinada

pelo movimento e sendo o movimento o cálculo da

energia média das moléculas, pode-se estabelecer uma

relação entre o coeficiente de difusão e a temperatura a

que o sistema está. Esta reacção química é um processo

termicamente activado e por isso há uma relação directa

entre a difusão e a temperatura. E se se logaritmizar esta

expressão, pode-se calcular a energia de activação que é

necessária para promover a difusão e calcular a

temperatura mínima para que haja um decréscimo da

50

concentração em função do tempo.

DDIIFFUUSSÃÃOO EEMM EESSTTAADDOO EESSTTAACCIIOONNÁÁRRIIOO:: PPEERRFFIISS DDEE DDIISSTTRRIIBBUUIIÇÇÃÃOO MMOOLLEECCUULLAARR

Este exemplo mostra como é

possível calcular o fluxo em função do

coeficiente de difusão das partículas e da

concentração destas partículas quando estão

no interior e exterior da célula.

O gráfico mostra que no T0, as

partículas estão todas localizadas nesta zona

central. E ao deixar passar algum tempo, por

exemplo 1 segundo, verifica-se que a grande

parte das moléculas está ainda na zona

central, mas há algumas que difundiram.

Controlando o tempo, verifica-se o decréscimo de concentração do interior, havendo uma

dispersão para os lados. Até que ao fim de um tempo suficiente para estabelecer o equilíbrio, há uma

mistura completa das moléculas com o meio envolvente e não se consegue ao certo determinar qual o

local, qual a área onde há um aglomerado de moléculas, ou seja, o movimento das partículas só depende

delas próprias, da sua energia de activação, da sua actividade térmica, pode-se dizer que o fluxo é

directamente proporcional a essa variação da concentração.

Em jeito de conclusão, para um tempo constante, o fluxo de iões Na+ na membrana, é da ordem

dos 10 g.m-2.s-1.

É assim que é possível saber quais são as concentrações de substância activas, sob o ponto de

vista farmacológico, que se tem que fornecer ao doente, em função do fluxo de cada substância para o

interior da célula, de forma a não provocar: ou excesso de concentração no interior, ou défice de fluxo

quando prevemos que o ião deve ser transportado para o interior da célula.

DDIIFFUUSSÃÃOO EEMM EESSTTAADDOO NNÃÃOO EESSTTAACCIIOONNÁÁRRIIOO:: 22ªªLLEEII DDEE FFIICCKK

Mas, se se tiver apenas uma dependência da

variação da concentração das moléculas em tempos

constantes, considerando uma determinada distância,

pode-se considerar que a molécula está num tempo T1

(está num sítio) e num tempo T2 (está noutro sítio). E

como o movimento é aleatório., então a variação de

concentração nos pontos é constante a não depende do

tempo: é considerado um estado estacionário.

Porém, se houver uma causa ou fluxo exterior que contribua para este fluxo, então há para

tempos diferentes, a concentração no T0 vai ser também diferente. Ou seja, a variação da concentração,

(neste caso das moléculas de um gás em função da distância que elas percorrem) é em função do tempo.

51

Assim o tratamento matemático em questões de fluxo, em questões de estado não estacionário, é

diferente e não pode ser tratado de forma tão linear como a 1ªlei de Fick determina.

Exemplo:

Considera-se então um

estado não estacionário, um elemento

de volume (dentro de um sistema que

está localizado entre x e x+dx, através

de uma área de secção) de uma

membrana que separa dois volumes

finitos envolvidos no sistema de

difusão. E o fluxo do interior deste

elemento de volume menos o fluxo de

exterior do elemento do volume

(porque também contribui para este

movimento) é proporcional à variação

da concentração neste elemento de volume, mas tempos diferentes.

Ou então pode dizer-se que esta diferença iguala a velocidade de acumulação do material nesse

elemento de volume.

Surge então a lei de Fick que já tem de levar um

enquadramento matemático diferente, portanto tem que

recorrer à expansão daquilo que se passa em cada um

dos tempos, chegando à expressão acima referida.

A variação da concentração, em ordem ao tempo,

é directamente proporcional ao coeficiente de difusão e ao

quadrado da derivada de t, em ordem à distância que as

moléculas percorrem.

CONCLUSÃO: Se se tiver que estudar o movimento do fluxo estacionário, tem-se de aplicar a 1ªlei

de Fick, se o movimento não for estacionário, aplica-se a 2ªlei de Fick.

COMO EXEMPLO PRÁTICO:

Se introduzirmos um eléctrodo de pH para medir a concentração hidrogeniónica de uma solução,

o que acontece é que os iões H+ da solução vão ser transportados para a membrana do eléctrodo através

de um gradiente de concentração, o fluxo que se estabelece em função, não só do tamanho das

moléculas, mas também do coeficiente das mesmas e da distância que elas têm que percorrer.

Significa então que o eléctrodo de pH terá, em estado estacionário, um tempo de resposta que vai

depender deste gradiente de concentração. Se se agitar a solução onde está o eléctrodo de pH, passa-se

como um “degradé”(?) de concentração em que cada um dos pontos da variação da concentração em

ordem ao tempo é diferente, então favorece-se o tempo da exposta da unidade analítica.

52

Basicamente, o fluxo de difusão e o gradiente

de concentração variam com o tempo, de acordo com

a lei de Fick, em que este parâmetro é designado por

DIFUSIVIDADE.

É um parâmetro que é independente da

temperatura e indica-nos qual a frequência vibracional

das moléculas e qual é o salto que as moléculas dão

dentro do volume que atravessam.

A equação de Fick só pode ser considerada

se considerarmos antes da difusão, todas as

moléculas do soluto estão uniformemente distribuídas,

mantendo a concentração inicial constante. Em que o

valor de x (valor da distância que eles percorrem na

superfície) é 0. E que depois aumenta, à medida que

as moléculas avancem em profundidade na solução.

O coeficiente de difusão permanece

constante e não muda com a concentração. O tempo,

que é considerado, tempo 0 tem que imediatamente antes do início da difusão. Já que no momento T0+dx

há uma variação de concentração das moléculas.

Isto significa que os esquemas (que a

prof mostrou na aula anterior) e que tem um perfil

da variação da concentração das moléculas

verdinhas e das moléculas verdinhas claras. Este

perfil, não é um perfil que se vai prolongando na

forma que este.

Ou melhor, se tivéssemos um fluxo

estacionário, o que acontecia é que tínhamos as

moléculas concentradas no centro. Ao fim de algum tempo, tínhamos o perfil mas mais baixo (e sem

mistura). Ao fim de mais algum tempo, o perfil estaria mais baixo ainda até haver uma completa mistura

das moléculas.

No momento em que está associado o estado não estacionário com o fluxo exterior, o perfil não é

assim enquadrado.

Isto variava da mesma forma se o T1 estaria aqui, não T2 estaria aqui, no T4 estaria aqui, até

estarem todas misturadas. Exactamente porque há um fluxo exterior, o perfil que se estabelece, é um perfil

inozoidal.

53

Significa que, no mesmo ponto, a concentração das moléculas relativamente a essa distância não

é o mesmo que a concentração aqui. Há continuamente uma variação da concentração em função do

tempo que as moléculas demoram a difundir.

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO

Como é possível fazer a determinação?

(já que este parâmetro é muito importante em termos moleculares, porque permite uma

caracterização da molécula)

Há processos muito específicos, iremos ver o que nos dá um valor absoluto do coeficiente de

difusão, mas muitas vezes é muito complicado de o determinar.

MÉTODO

� Medir a quantidade de material

que é transferido, através da unidade de

área e por unidade de tempo num disquinho

que permite a difusão.

� Usar um disco de vidro poroso de

espessura ∆x, para separar duas soluções

de diferentes concentrações, num e noutro

lado.

� A velocidade de transferência do

material (mol s-1 ou g s-1) através do disco

pode ser medida usando um marcador

radioactivo. A velocidade de transferência é registada, tornando uma das soluções radioactivas. Depois

vai-se registando a radioactividade ao fim de algum tempo dum lado da solução.

� E os outros dois pontos, tal como está no acetato.

Só que, para manter a concentração,

utilizam-se grandes volumes de solução quer de

um lado quer do outro e processa-se uma

agitação. Nessa altura determina-se D que é um

valor absoluto.

Quando as moléculas são incluídas em

soluções muito diluídas ou quando elas têm uma

determinada forma, nada interfere na difusão. Na

maioria dos casos, sobretudo em ambientes

macromoleculares como são o caso das soluções que existem no nosso organismo, as moléculas não

difundem só em função das suas características de difusão, mas porque algo de fora as obriga a retardar o

54

seu movimento. Isto é, a interacção com o meio envolvente vai determinar que a velocidade de difusão não

seja aquilo que é esperado mas sempre um valor inferior ao que é esperado.

Isto é devido a uma força que actua no sentido contrário: a força de fricção. Essa força de fricção,

que no fundo corresponde ao choque do soluto com as moléculas envolventes, é directamente

proporcional à velocidade terminal que as moléculas atingem. Isto é, elas atingem muito mais rapidamente

a velocidade terminal, exactamente porque há uma força contrária que impede esse movimento da difusão.

Logo, esta constante de proporcionalidade é designada por coeficiente de fricção e pode ser relacionado

com o coeficiente de difusão.

Segundo Newton, a força é igual à

massa vezes a aceleração para cada uma das

partículas que produz o seu movimento.

Porém, na realidade, o efeito que se observa

é que a força que produz o movimento, é igual

ao coeficiente de fricção (f) vezes a

velocidade terminal (v) que ele atinge.

Este parâmetro é crucial na determinação das propriedades moleculares e caracteriza a rapidez

do movimento por acção de uma força, ou seja, quanto maior for o coeficiente de fricção, menor é a

velocidade que ela atinge e informa-nos sobre o tamanho e forma das moléculas quando elas interagem no

meio envolvente.

Através da equação de Einstein, o movimento de difusão é directamente relacionado com a

energia que as partículas têm, isto é, com a temperatura (quanto maior a temperatura, maior a difusão).

Pode-se relacionar não só com aquilo que lhe provoca movimento, mas também com aquilo que

lhe impede o movimento.

Assim, existe uma expressão que, por determinação de f, acaba por ser mais simples de

determinar ∆ de forma indirecta, em relação ao método da radioactividade.

Stokes relacionou o

coeficiente de fricção das

partículas com aquilo que

obrigava as partículas a terem

esse tal tratamento.

Já se sabe que as

partículas que deveriam atingir

por difusão uma velocidade

muito elevada, acabam por

atingir rapidamente a sua

velocidade terminal, porque têm uma força (coeficiente de fricção) que impede esse movimento.

55

De onde vem o coeficiente de fricção?

Vem do coeficiente de resistência que as partículas têm com o meio envolvente.

No fundo está relacionado com a viscosidade do meio. O coeficiente de fricção é função do meio

que o envolve, da viscosidade desse meio (ou também poderá ser em função do tamanho da partícula)

que vai fazer a partícula atingir, mais ou menos rapidamente, um determinado ponto.

EXEMPLO:

Se tiver uma molécula muito gorda que esteja num ambiente pouco viscoso, ela vai difundir mais

rapidamente do que se estivesse num meio mais viscoso, ou seja, a velocidade terminal num ambiente

mais viscoso, é muito mais rapidamente atingida se for num ambiente menos viscoso.

Stokes resolveu relacionar o coeficiente de fricção exactamente com o meio envolvendo:

Ou seja, pode-se determinar D não só em

função da temperatura que o sistema possui, mas

também em função da viscosidade e do raio das

partículas (processo muito mais simples).

Logo, como é tabelado, e sabendo T,

sabe-se o D (processo mais simples da

determinação do coeficiente de difusão).

Porém, como o valor de D é como se

fosse um valor fictício, não é verdadeiro como se o determinasse no sistema de coeficiente de difusão.

PORQUÊ?

Porque os coeficientes de fricção são sempre muito experimentais, são sempre mais baixos que

os coeficientes de fricção determinados pela equação de Stokes.

• A molécula está solvatada (o raio aumenta). O raio não é um raio real, mas é aumentado devido

à solvatação que a própria molécula tem, ou seja, a toda a ambiência iónica que a molécula tem.

• A molécula é não esférica. O tratamento matemático tem que ser feito para uma situação

definida, logo o mais simples é admitir que as moléculas são esféricas mesmo muitas vezes não

o sendo, a fim de determinar o raio.

• Ambas.

Isto faz com que os valores de f experimental sejam sempre menores do que o valor de f calculado

pela equação de Stokes, afectando a equação de Einstein em que se determina a difusão das partículas.

56

Influência da forma da molécula no coeficiente de fricção

(NOTA: O coeficiente de difusão e o de fricção são muito utilizados pelos bioquímicos para

caracterização das moléculas.)

EXEMPLO: das moléculas que existem no nosso organismo em função corporal, são raras as que

têm forma esférica.

A maioria das moléculas tem forma de bastonetes ou

formas totalmente distintas das de uma esfera.

Também são aplicados critérios de correcção na

determinação de raio das partículas não esféricas, a fim de não

alterar muito o valor do coeficiente de fricção (porém, cometem-

se erros).

CONCLUSÃO:

A difusão é um processo de transporte que ocorre nas células vivas, nos ambientes gasosos ou

nos líquidos tem o mesmo significado em termos de “anglofaction”(?) de diffusion.

É caracterizado pelo movimento das partículas quer de um líquido quer de um gás, gel ou mesmo

de um sólido num sistema.

Origina um processo muito conhecido: a osmose. É o resultado do movimento das zonas de alta

concentração para zonas de baixa concentração. E é derivado quer de gradientes de concentração, quer

de campos eléctricos ou outras forças.

57

Exercícios(a professora só usa exemplos bioquímicos)

Conclusão ex1: significa que num segundo movimentam-se 3,09 x 10-8g.

DDIIFFUUSSÃÃOO EE OOSSMMOOSSEE

OOSSMMOOSSEE:: dá origem ao transporte passivo

no interior das células. Como já é sabido, para além

da energia das moléculas, não é necessário outra

energia extra.

58

TTRRAANNSSPPOORRTTEE PPAASSSSIIVVOO

Ao fim de algum tempo, as moléculas de açúcar vão-se libertando e vão progredindo, neste caso

na água. E há um fluxo de moléculas de uma zona de alta concentração para uma zona de menor

concentração.

FFAACCTTOORREESS QQUUEE AAFFEECCTTAAMM AA DDIIFFUUSSÃÃOO

(que condiciona também a viscosidade)

CCAASSOOSS EESSPPEECCIIAAIISS DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO EE OOSSMMOOSSEE

OSMOSE- difusão de moléculas de água através de uma

membrana semi-permeável. Sendo uma membrana selectiva que só deixa

passar moléculas de determinado tamanho. As moléculas de água

passam de uma zona de baixa concentração, para uma zona de alta

concentração.

DIÁLISE- O fenómeno é derivado de difusão, mas

neste caso há difusão de pequenas moléculas de soluto

(dissolvidas em água) através de uma membrana semi-

permeável.

É o que se faz quando se está a “purificar” o sangue nos hemodialisados. Não se vai diluir o

sangue destes, fazendo passar água no seu interior, mas pelo

contrário, são as moléculas tóxicas que se vão acumulando

durante os processos metabólicos, que saem por diálise através

de uma membrana semi-permeável.

Os nossos rins também funcionam assim. Têm

membranas semi-permeáveis que promovem as trocas para que

os elementos passem para a urina que depois é expulsa.

(separação de macromoléculas)

59

OOSSMMOOSSEE RREEVVEERRSSAA (processo muito mais eficiente)

EXEMPLO: nos países árabes, toda a dessalinização da água é feita. Melhor processo para obter

água pura.

ÁGUA MILIQUÉ- água com uma condutividade eléctrica

muito baixa, usada para esterilização e manipulação de

substâncias muito puras nos laboratórios de investigação e

indústrias farmacêuticas.

A água miliqué é obtida por osmose reversa, porém o

rendimento deste processo é muito baixo.

Ex: Nos países árabes, uma garrafa de água é muito

mais cara que uma de vinho.

SSOOLLUUÇÇÕÕEESS IISSOOTTÓÓNNIICCAASS EE HHIIPPEERRTTÓÓNNIICCAASS

No decorrer da difusão, podem acontecer três situações:

• Se a concentração do soluto (sal) é igual dos dois lados, a água

movimenta-se de uma lado para outro e não acontece nada à célula. (meio

isotónico)

• A concentração é menor no exterior do que no interior da célula, logo a

água movimenta-se para o interior da célula. Meio hipotónico, a célula aumenta

de tamanho, podendo rebentar.

• A concentração é maior no exterior do que no interior da célula, logo a

água movimenta-se para o exterior da célula. Meio Hipertónico, a célula diminui

de tamanho.

Ex: quando vamos para a água do mar, esta é mais concentrada que as nossas células e a água

destas tem tendência a sair para atingir o equilíbrio.

60

EXEMPLO DE SOLUÇÕES SANGUÍNEAS

Solução de sangue isotónica- glóbulos vermelhos intactos e

perfeitos

Solução de sangue hipertónica- glóbulos vermelhos ficam

plasmolisados (diminuem de tamanho)

Solução de sangue hipotónica- a água entra e o citoplasma exerce uma pressão de

turgescência sobre a membrana, conduzindo ao rebentamento das células (lise celular). No caso dos glóbulos vermelhos, o fenómeno

designa-se por hemólise.

Daí as formulações injectáveis não poderem ter uma concentração qualquer. Têm que ter uma

concentração em cloreto de sódio 0,9g/L, que corresponde a um ambiente isotónico. Caso contrário, pode

provocar lesões do tipo em que as células ficam plasmolisadas ou quando aumentam de tamanho.

PPRREESSSSÃÃOO OOSSMMÓÓTTIICCAA

� Pressão directa da quantidade de molécula que

atravessa a membrana semi-permeável

� Propriedade coligativa que depende do número de

moléculas que estão envolvidas no processo de

osmose

� É relacionada com a concentração e a massa

molecular das partículas

A pressão osmótica é função

directa do número de moles do soluto que

existe num determinado volume de

solução e, como esta variação se

relaciona com o movimento aleatório, está

relacionado com a temperatura.

Só que, na maioria das soluções

moleculares, o movimento é muito lento

porque as moléculas são grandes.

61

SSOOLLUUÇÇÕÕEESS DDIILLUUÍÍDDAASS

Esta figura mostra como é que numa

solução diluída, varia Π em função da concentração.

Trata-se de um processo de calibração, determinar

Π/t em função da massa molecular conhecida de

proteínas. Depois, por interpolação de gráficos e

calcular Π/t para uma amostra desconhecida. De

seguida, basta determinar o valor de n.

VVAARRIIAAÇÇÃÃOO DDAA PPRREESSSSÃÃOO EEMM FFUUNNÇÇÃÃOO DDAA CCOONNCCEENNTTRRAAÇÇÃÃOO

Enquanto que numa solução diluída há uma

proporcionalidade directa entre Π e a M e entre Π e c.

No caso de se tratar das macromoléculas, a variação

não é linear porque há interacções entre a molécula e

o meio envolvente. A inclinação dá qual o grau de

interacção que existe entre a molécula e o solvente.

Esta interacção vai condicionar o movimento das

partículas através da membrana semi-permeável.

Nesta situação, é incorrecto fazer calibrações

de Π/t em função da massa molecular de proteínas macromoleculares e depois, por interpolação gráfica,

calcular o n de uma proteína determinada.

SOLUÇÕES DE MACROMOLÉCULAS

O que se pode fazer é calcular Π/t em função da T para vários padrões e extrapolar uma

concentração diluída. Logo, o limite para que tende a recta, dá o valor de Mn, já que quando as moléculas

não interagem muito com o solvente, há uma dependência linear entre a pressão osmótica e a

concentração.

O mesmo não se verifica se há interacções moleculares entre o soluto e o solvente. Para calcular o valor

de M, não se pode usar o mesmo processo, pois a recta não é linear. Neste caso, a melhor forma para

calcular M é extrapolar uma situação limite e com esse valor limite, calcula-se o valor de M.

TTRRAANNSSPPOORRTTEE AATTRRAAVVÉÉSS DDAA MMEEMMBBRRAANNAA

A membrana das células é constituída por

fosfolípidos numa forma de bicamada. Encaixados

entre os fosfolípidos estão as proteínas intrínsecas

que têm ligado a elas os glicolípidos. A função deles é

reconhecer outras moléculas que possam estar por ali

perto. Existem também proteínas extracelulares e existe o colesterol que se situa no meio disto e funciona

62

como um agente tensioactivo, porque, dado que há uma zona de grande hidrofilia e uma de grande lipofilia,

ele tem de manter este sistema perfeitamente agregado fazendo com que estas zonas de polaridade se

consigam manter em conjunto.

O transporte das drogas nas membranas pode fazer-se de várias

formas: ou por difusão ou por transporte activo. Tratando-se da difusão, não é

necessária energia para que ocorra o transporte. No transporte activo é

preciso essa energia que provém das moléculas de ATP e que facilitam a

entrada de substâncias no interior da célula.

Dentro da difusão, há a difusão simples e a difusão facilitada. Na

difusão simples, moléculas muito pequenas ou iões é que conseguem

atravessar a célula, através destes canais (moléculas transportadoras) que não têm diâmetro superior a

8Å. Por isso, o transporte é feito por variação da concentração no exterior e interior da célula, e há uma

migração dessas substâncias.

Sendo a molécula um pouco maior, já não é possível essa difusão simples, tem de haver alguma

coisa para facilitar a sua passagem através da célula. Já que a capacidade das trocas ou qualquer outro

tipo de nutrientes de atravessar a célula, está

confinada não só pela sua forma e tamanho

molecular, mas também pela sua maior ou menor

solubilização neste ambiente que tem características

hidrófilas e lipófilas.

Exemplos de substâncias que não necessitam

da tal energia para serem transportadas e podem passar ou por transporte passivo ou por difusão

facilitada, são o CO2 e O2, a água por osmose e difusão facilitada.

DDIIFFUUSSÃÃOO SSIIMMPPLLEESS EE DDIIFFUUSSÃÃOO FFAACCIILLIITTAADDAA

⇓

Genericamente, as diferenças entre a difusão simples e a facilitada é que, na simples, não é

preciso nenhuma molécula transportadora; na facilitada é necessário haver um transporte através de uma

proteína.

Como é que o O2 acaba por entrar na célula através da tal difusão passiva? Há formação de

CO2 no processo metabólico no interior da célula. Para haver formação do CO2, tem de haver O2 e, tal

como na reacção química, havendo gasto de O2 para a formação de CO2, faz com que a sua concentração

diminua. Assim, é favorecida a sua entrada porque a concentração no meio extracelular é muito elevada.

63

Um caso curioso de transporte por difusão

facilitada é o da glucose e dos aminoácidos. Foi

descoberta uma proteína que favorecia a passagem

de substâncias, especialmente da glucose. Essa

substância é naturalmente a insulina, que tem como

função dar a mão à glucose para que o transporte seja

facilitado, e provoca um aumento de velocidade de

difusão bastante razoável.

EEFFEEIITTOO DDAA CCOONNCCEENNTTRRAAÇÇÃÃOO DDAA SSUUBBSSTTÂÂNNCCIIAA SSOOBBRREE AA VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE DDIIFFUUSSÃÃOO

O processo de difusão das moléculas pode ser

comparado ao que se passa numa reacção enzimática.

Tem de haver primeiro uma adsorção do ião (ou de uma

molécula) que vai ser transportada a essas proteínas

transportadoras. Logo a seguir, há a difusão e depois há

a libertação para o interior da célula.

Significa então que tem de haver um local

específico para que haja a ligação. Depois do

transporte, ao longo do tempo e à medida que a

concentração da substância que vai ser transportada vai aumentando, vai-se chegar a um ponto em que

há saturação e aí não adianta haver mais excesso no exterior das células pois já não se verifica transporte

nenhum.

Esse transporte é comparável a uma reacção química e uma reacção química está dependente do

equilíbrio que se estabelece no interior e no exterior entre os reagentes e os produtos. E portanto há um

valor de constante para uma ligação que determina a velocidade dessa reacção.

É preciso contar que há inibidores competitivos que são estruturalmente semelhantes e vão

impedir que esse transporte se efectue. Onde existem, esses inibidores competitivos, vão condicionar esse

valor e assim condicionar este princípio da curva, esta velocidade de transporte. E por essas razões,

muitas vezes quando se fazem estudos farmacocinéticos (diz respeito à metabolização da droga) e

farmacodinâmicos (reacção da droga ao paciente) tem que ser levado em linha de conta, as interacções

medicamentosas que possam ocorrer. Isto porque muitas vezes, o que se pensa é que uma droga está a

ser assimilada por uma membrana, por um determinado alvo, e o que acontece é que existem na

formulação compostos estruturalmente semelhantes. Assim, nunca iremos ter uma quantidade de

substância absorvida em função da concentração que lá chega; nunca iremos ter o aumento da extensão

que aconteceria se não tivesse nada à volta a impedir esse transporte.

O controlo dos níveis séricos é importante para perceber até que ponto essa reacção se faz nesta

extensão representada.

Quando uma droga vai ser adsorvida/absorvida para uma barreira celular, uma membrana celular,

podemos contar com várias etapas. Primeiro ela tem de solubilizar num meio aquoso (não esquecer que os

64

fosfolípidos têm os fosfatos todos virados para cima, são extremamente hidrófilos, portanto a droga tem

primeiro de solubilizar.

Primeiro tem de se difundir até esse local, depois tem de se solubilizar e depois tem de se difundir

através da barreira celular. Depois, entretanto, tem de se difundir através desse meio intracelular.

Significa então que, em todo este processo, aquilo que mais condiciona o transporte das

moléculas não é propriamente a difusão, nem a solubilização no meio extracelular, mas sim a difusão

dentro da bicamada.

DDIIFFUUSSÃÃOO AATTRRAAVVÉÉSS DDAASS MMEEMMBBRRAANNAASS

APLICAÇÃO DA LEI DE FICK

Aqui está representada a bicamada, o grupo

fosfato e o grupo dos hidrocarbonetos e o que podemos

ver é que a concentração não vai ser igual nas

diferentes zonas.

Significa que a velocidade de difusão na

bicamada (v), é directamente proporcional ao coeficiente

de difusão da droga (Dm), à área de difusão própria

droga (A), e naturalmente à variação da concentração

em função da distância que ela tem de percorrer (∆C/d).

A distância (d) é determinada pelo comprimento

entre a parte extracelular e a parte intracelular.

Naturalmente que este coeficiente de difusão não é semelhante ao coeficiente de difusão de uma

partícula qualquer num meio perfeitamente livre tem, ou que um gás tem através de um lípido ou coisa do

género. Este coeficiente de difusão está relacionado com a solubilização da droga num meio celular. Vai

depender do coeficiente de partilha da droga entre um meio água/óleo.

Como já foi referido, esse coeficiente de difusão está

relacionado com uma característica que é o coeficiente de

partilha.

Nós só podemos ter a função da concentração da

droga que está no interior e no exterior da célula. É impossível

saber qual a concentração no exterior, na camada externa, na

camada interna e no interior da célula. Para isso, servimo-nos

de uma relação para determinar essa velocidade, que no

fundo relaciona a concentração das espécies no interior da

membrana, com a sua concentração na água, no meio aquoso

que banha a membrana.

Esse coeficiente de partilha/partição, dita que se o soluto

for polar, o seu valor é negativo, isto é, drogas com características

hidrófilicas têm o valor de coeficiente de partilha negativo, o que

65

não acontece com drogas hidrofóbicas ou lipofílicas, que têm coeficiente de partilha positivo.

Nesta altura, estamos em condições de aplicar a lei de Fick ao transporte das moléculas através

das células. A primeira lei de Fick diz-nos que o fluxo é directamente proporcional à variação da

concentração vs distância que ela percorre.

Sabe-se então que a variação da concentração das espécies na membrana é igual à variação da

concentração neste esquema visto anteriormente (2 páginas atrás).

A concentração em 1 é superior que em 2. A concentração em C1m e

C2m é diferente.

A variação da concentração é igual à diferença entre a concentração

em 1 e a concentração em 2, mas cada uma delas afectada pelo

correspondente coeficiente de partilha. Então é possível na expressão

anterior, substituir, admitindo que a velocidade não depende só da área que as

moléculas têm de percorrer e do tal coeficiente de difusão na membrana, mas também do coeficiente de

partilha e da variação da concentração em função da distância percorrida. Esta é a expressão de Fick que

determina a velocidade das trocas através da membrana.

Nas substâncias extremamente lipófilas a velocidade vai ser mais lenta. Partículas que tenham

uma área de difusão muito elevada, vão determinar uma velocidade mais lenta de difusão. E quando a

variação da concentração, no ambiente extra e intracelular, é pequena, também a velocidade de transporte

acaba por ser pequena.

PPEERRMMEEAABBIILLIIDDAADDEE ((PP))

Como se relaciona a difusão em função das

características da própria molécula?

Se fizer um gráfico de fluxo em função da

concentração, vai-se obter ter uma linha recta cujo declive

dá aquilo a que se chama o coeficiente de permeabilidade

(cm/s). Esse declive que me vai dar o coeficiente de

permeabilidade está relacionado com o coeficiente de

difusão na membrana, com o coeficiente de partilha

membrana/água, e com a espessura da membrana.

66

DDIIFFUUSSÃÃOO SSIIMMPPLLEESS:: MMEEDDIIDDAA EEXXPPEERRIIMMEENNTTAALL DDAA PPEERRMMEEAABBIILLIIDDAADDEE

Como é possível determinar esse coeficiente

de permeabilidade?

Tenho de medir o fluxo unidireccional de entrada

e saída na membrana.

(Enquanto que na difusão quer simples quer

facilitada, o fluxo pode ser bidireccional, no caso da

difusão que envolve energia, uma vez a molécula “em

branco” não consegue sair pois não há energia suficiente

para a fazer saltar para o outro lado).

O fluxo de entrada é directamente proporcional à concentração exterior (para isso tenho de admitir

que a concentração no interior da membrana é nula). O de saída é directamente proporcional à

concentração do seu interior (tenho de admitir que a concentração exterior é 0).

Para calcular o fluxo unidireccional de entrada, temos que incubar as células com um soluto num

determinado meio e medir a quantidade dessa espécie que apareceu no compartimento intracelular.

Depois tem-se só de fazer o gráfico de P, dessa concentração que aparece no ambiente intracelular,

(10%), e calcular o declive.

No caso de querer optar por medir o fluxo de saída da solução, carrega-se as células previamente

com um determinado soluto, vai-se substituindo o meio externo e vai-se medindo o aparecimento

extracelular. No final acabamos por fazer um gráfico também da concentração vs tempo para poder

calcular o declive e daí deduzir o coeficiente da permeabilidade.

Isto é feito repetindo a determinação da experiência, calculando o fluxo inicial/fluxo bruto para

concentrações distintas do substrato e depois, para esses valores de fluxo, fazer um gráfico de fluxo vs

concentração de substrato, calcula-se a recta e deduz-se o declive que dá o coeficiente de permeabilidade.

TTRRAANNSSPPOORRTTEE AACCTTIIVVOO ((BBOOMMBBAA DDEE SSÓÓDDIIOO EE

PPOOTTÁÁSSSSIIOO))

No transporte activo tem de haver fornecimento

de energia sobre a forma de ATP. Um exemplo de

transporte activo é aquele que se processa para grandes

moléculas.

São moléculas que normalmente não são

lipídicas e um bom exemplo é o da bomba de

sódio/potássio ao nível, por exemplo, do coração. Neste

67

caso, as células deita três Na+ para o exterior, envolvendo os mecanismos energéticos e recupera dois

iões K+, isto significa que tem de haver sempre um excesso de potássio para haver esta troca e a

electroneutralidade estar assegurada.

Isto quer dizer que no exterior da célula, a

concentração de potássio tem de ser muito maior que a

concentração de iões sódio porque o processo se faz de 3

para 1.

∗

Já se falou da difusão como um transporte de

moléculas e, através dela, pode deduzir-se esses

parâmetros moleculares (peso, massa, forma da

partícula).

Falou-se da pressão osmótica como uma das propriedades coligativas e que permite determinar a

massa molecular das substâncias. E outro fenómeno de transporte que foi falado foi a sedimentação e,

mais tarde, a electroforése.

SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

FORÇAS ENVOLVIDAS

Na sedimentação, o movimento da

partícula faz-se através de um campo

centrífugo e é uma técnica de excelência, não

só para preparar mas também para purificar e

analisar sobretudo substâncias biológicas.

Espécies celulares do tipo proteico, ácidos nucleicos, cromossomas e mitocôndrias.

∗ “Já agora, por causa disso, vou contar uma experiência pessoal que sucedeu e demonstra bem que não é

possível viver sem um excesso de K+ no exterior da célula para poder promover este bombeamento, e de uma forma

natural.

Aqui há dois anos, o meu pai sentiu-se mal. Ele estava a fazer um tratamento aos olhos em que o

oftalmologista não tinha uma visão conjunta do corpo humano e então deu-lhe um medicamento em que as reacções

externas eram de apatia, de estado de confulsão. Para mim, meteu-me um bocado confusão por ter apatia meramente

por inoculação de umas pequenas gotas que eram para o tratamento dos olhos.

Passado algum tempo, ele começou a sentir-se mal e suspeitou-se de uma oclusão intestinal e foi operado.

Abriram-no e fecharam-no e o tratamento foi um comprimido de cloreto de potássio. Por uma razão muito simples,

porque o médico se esqueceu de que o medicamento que mandou tomar, competia inibitoriamente com o potássio ao

nível das células. O que aconteceu foi que lhe baixou de tal forma os níveis de potássio no interior da célula que o

peristaltismo intestinal parou. E ele não funciona até haver este gradiente potencial eléctrico que é fornecido pelo sódio

e pelo potássio. E a forma de curar foi colocar no exterior da célula, uma concentração brutal de potássio para que, por

difusão, podermos passar dois iões de sódio para entrar um de potássio.

Isto, só para dar uma ideia de que não se deve brincar com as interacções medicamentosas, porque elas

existem exactamente por mecanismos deste tipo.

Em farmacêutica vamos estar aptos a prevenir os doentes deste tipo de consequências e o porquê dessas consequências.”

68

SSOOBB AA AACCÇÇÃÃOO DDEE UUMM CCAAMMPPOO GGRRAAVVIITTAACCIIOONNAALL

Consiste em colocar uma substância suspensa num tubo com determinadas características.

Colocá-lo a rodar sobre um campo centrífugo extremamente elevado, e, conforme o peso e a forma da

partícula, vai haver deposição a tempos diferentes dessas mesmas partículas. Por acção do campo

gravítico normal, só substâncias muito pesadas é que sedimentam. Partículas deste tipo necessitam de um

campo centrífugo mais elevado.

Então, quando não existe nenhuma força

externa para além da gravidade de uma partícula

colocada num meio onde está dispersa, sedimenta

porquê?

Sedimenta devido ao seu peso, e o seu peso está

relacionado com a sua massa e com a acção do campo

gravítico normal, mas há algo que a faz ou que a impede de sedimentar, que é a

impulsão. E essa impulsão é uma força contrária à que determina a queda da

partícula e está relacionada com a massa da partícula (m), com o volume efectivo da partícula (é o volume

da partícula menos o de todo o ambiente que a cerca). Acontece que nas partículas, por vezes, o seu

volume real não coincide com o volume efectivo e com a densidade da partícula. Ao fim de algum tempo,

quando essas duas forças se equilibram, a partícula atinge a sua velocidade terminal e deposita num

determinado ponto deste copo. (pode depositar em cima ou cair)

A força total que provoca esta queda, é uma associação destas duas forças e é igual ao peso

menos a força de impulsão, o que nos dita que a força que era da partícula estava relacionada com a

massa, pondo mg em evidência, com o volume efectivo das partículas, a densidade do meio que a cerca,

e a aceleração da gravidade.

Naturalmente que, quando se promove uma força gravitacional externa,

há ainda outra força que me impede o movimento, isto é, o atrito da molécula

com o meio que a envolve também vai determinar uma maior queda, uma queda

mais rápida ou mais lenta, de acordo com a força que se imprime para a sua

sedimentação.

A força de atrito é igual ao coeficiente de fricção da partícula vezes a

velocidade de queda da partícula como foi dito anteriormente.

Então, no equilíbrio, tem-se de contar também com este impedimento,

desta força que faz com que a partícula não caia à velocidade desejada.

Quando se iguala a força de atrito à força total, fica-se a saber exactamente qual é a velocidade de

queda da partícula em função dos parâmetros moleculares mas também em função dos parâmetros que

têm a ver com o equipamento ou com as condições experimentais em que é feito o ensaio.

69

PPOORR AACCÇÇÃÃOO DDEE UUMM CCAAMMPPOO CCEENNTTRRÍÍFFUUGGOO

À separação numa centrífuga, é igual à velocidade

angular (w2) vezes a distância desde o centro de rotação (x)

até ao local onde a partícula se deposita. Então, podemos

substituir g na expressão anterior, pela rotação que a

centrífuga me dá, ou pela força centrífuga que ela me dá que

é igual a w2x, sendo w expresso em rad/seg habitualmente.

VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

A equação anterior, naturalmente, diz-nos que quanto maior é a massa de partícula, mais lento é

o movimento para um determinado campo centrífugo.

Se ela é muito densa, o seu volume específico é baixo e o movimento é rápido.

Quanto mais densa é a solução de suporte da partícula, mais lento é o movimento porque maior é

o atrito e maior é a força de impulsão.

Quanto maior for o coeficiente de fricção, mais lento é o movimento da partícula.

A velocidade torna-se igual a 0, quando a densidade da solução é superior à densidade das

partículas. Isto é, quando a densidade do meio que a envolve, quando a força de impulsão é maior que o

próprio peso e o coeficiente de fricção. Nesta altura, a partícula fica a uma determinada distância do eixo

de um tubo.

Se a força centrífuga for elevada comparativamente com outra menos elevada, com certeza que

mais rapidamente a partícula se deposita.

Então, admitindo um campo centrífugo normal, a partícula é acelerada até que a força centrífuga

esteja balanceada não só pela densidade, pela massa, pela força de impulsão, pelo peso do corpo, mas

também pela força de fricção.

70

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

A forma de quantificar esta relação é

através do chamado coeficiente de sedimentação.

No fundo, o significado físico é a relação entre a

velocidade de sedimentação que as partículas têm

vs a aceleração que lhes é imprimida.

E esse coeficiente de sedimentação está

relacionado não só com estes parâmetros

moleculares (com o peso e a força de impulsão da

partícula) mas também com o coeficiente de sedimentação.

Então, este parâmetro físico pode servir para caracterizar uma determinada molécula. Se souber o

valor dele, cada partícula com uma massa determinada, com a densidade determinada, com um volume

específico determinado, terá um e só um coeficiente de sedimentação.

Mas, tal como a densidade de outros parâmetros, tal como o poder rotatório específico, eu só

posso fazer essa comparação se considerar este valor de s para determinar o valor de referência, isto é,

quando considero que s é determinado em condições padrão de temperatura e o solvente é água. Nessa

altura, o coeficiente de sedimentação, representa-se desta forma e a unidade que lhe é característica é o

S20,w (Svedberg- senhor que estudou este processo).

FFAACCTTOORREESS DDEE QQUUEE DDEEPPEENNDDEE OO CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

Quando o valor de s é calculado em

condições muito específicas, ele pode servir

para caracterizar não só o tamanho e a forma

da molécula, como também o seu peso. Na

medida em que s é sensível à temperatura, ao

pH e à concentração, devemos fazer para

poder fazer uma comparação entre essas

partículas diferentes converter o valor de s de

diferentes medidas para as condições padrão.

Podemos concluir que, se dois solventes dão

valores muito diferentes de coeficiente de

sedimentação, a molécula tem diferentes conformações.

Nesta tabela, o valor de s aumenta com o peso molecular e moléculas com uma determinada

assimetria, têm valor de s mais baixo do que moléculas redondinhas, globulares. Portanto, daqui se deduz

que s também serve para determinar a forma da partícula.

71

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO EE MMAASSSSAA MMOOLLEECCUULLAARR:: MMAASSSSAA MMOOLLEECCUULLAARR AABBSSOOLLUUTTAA

Como posso relacionar o coeficiente de sedimentação com a massa molecular da

substância? (Aqui sim, com a massa molecular absoluta da substância, porque iremos ver mais adiante

que uma forma de transporte que também permite determinar a massa molecular da substância que é a

viscosidade, não dá um valor absoluto mas sim um valor relativo).

Sabe-se através equação de Einstein que o

coeficiente de fricção se relaciona com o coeficiente de

difusão e com a tal energia que produz os movimentos de

difusão, da seguinte forma: sabendo anteriormente que s se

relaciona com uma força de impulsão e peso das partículas

e coeficiente de fricção da forma como aqui está indicado, e

substitui-se o f pelo kT/D.

Então, chegamos a uma expressão que relaciona o

valor do peso molecular da partícula com o valor do coeficiente de sedimentação e com todos esses

parâmetros que podem ser facilmente determinados.

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: SSIIGGNNIIFFIICCAADDOO

O coeficiente de sedimentação é a distância em cm

percorrida pela molécula, quando durante 1 segundo, eu aplico

uma força centrífuga de 10-2 N/kg e a molécula está suspensa

num solvente que é a água, a uma temperatura de 293K. Daí, s

dá-nos informações sobre as propriedades moleculares da

molécula (massa, volume específico e da sua forma) e das

propriedades da solução (densidade e viscosidade, já que f

depende de n).

MMÉÉTTOODDOOSS DDEE DDEETTEERRMMIINNAAÇÇÃÃOO

Os métodos habituais para determinar o coeficiente

de sedimentação são: o método de velocidade de

sedimentação, que dá indicações sobre o hidrodinamismo das

moléculas. Para procedermos a esta determinação por este

método, temos de ter conhecimento quer de s, quer de D e

nalguns casos da massa molecular.

Muitas vezes substitui-se este método por outro mais

fraco porque embora seja mais lento, acaba por ser mais prático já que não é necessário saber o valor do

coeficiente de sedimentação.

72

CCEENNTTRRIIFFUUGGAAÇÇÃÃOO:: VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO LLIIMMIITTEE

Então, o que se faz no processo de velocidade de sedimentação?

Aqui está representado um corte dum tubo de

centrífuga. O material é depositado, aplica-se uma força de

rotação, ao fim de algum tempo vai haver uma deslocalização

das moléculas que vão depositar-se mais ao fundo. Demoram

um determinado tempo até atingir aquela zona.

Claro está, se não houver difusão, para além da

sedimentação. Se meramente o valor de D não entrasse para

nada. Se as partículas sujeitas a força centrífuga, só

caminhassem por acção dessa força, o perfil de concentração do tubo de centrífuga era este:

A concentração anulava-se na ponta, aumentava na zona intermédia e

estabilizava nesta zona final. Exactamente porque há difusão, não temos uma

recta tão bem definida. Temos é um perfil deste tipo, onde, nesta zona, vê-se

conforme maior ou menor inclinação, que há maior ou menor difusão das

partículas associadas também à sedimentação.

Se fizer este estudo para vários de sedimentação, isto é, se puser

a centrífuga a trabalhar e for registando qual o perfil de concentração da

substância ao longo deste tubo para um determinado tempo. Claro que

este registo é feito por uma célula óptica acoplada na centrífuga, que vão

dando os registos do perfil de concentração. Mede-se 1 minuto e regista-

se o perfil; depois mede-se 2 minutos e regista-se o perfil, e assim

sucessivamente.

Logo a seguir vai-se medir a distância média das partículas

entre os dois pontos, ou seja, vai-se calcular o valor de x a dividir por

2. E faço log x/2, em função dos diversos tempos e aí tem-se uma

recta cujo declive é igual ao coeficiente de sedimentação.

A partir daí, podemos calcular a massa efectiva do soluto e

consequentemente o seu peso molecular, o que foi explicado

anteriormente.

73

AA VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO LLIIMMIITTEE,, PPEERRMMIITTEE CCAALLCCUULLAARR::

AASS LLIIMMIITTAAÇÇÕÕEESS AAOO MMÉÉTTOODDOO DDAA VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO LLIIMMIITTEE SSÃÃOO::

Nas zonas limites, porque há difusão, acontece que

muitas vezes existe uma banda mais ou menos alargada que

dificulta a separação dos componentes sobretudo em misturas

complexas e nestas situações quando a difusão é extremamente

acentuada relativamente à força que imprime na sedimentação,

aparece aquela zona/curva que é muito acentuada e dificulta a

separação e o delinear das bandas padrão das partículas.

Nessa altura acontece que é necessário utilizar centrífugas com

poder de rotação muito elevadas e que são caras. Por isso, este método além de ser rápido, mas quando

as moléculas estão muito semelhantes, elas vão-se mover da mesma forma, e portanto a difusão vai ser

acentuada, logo tem aquelas bandas que dificultam uma separação definida das moléculas de acordo com

o seu peso molecular.

EESSPPAALLHHAAMMEENNTTOO DDEE ZZOONNAASS:: DDIIFFUUSSÃÃOO VVSS HHEETTEERROOGGEENNEEIIDDAADDEE

Num sistema de um componente só, se não

existisse difusão, o que acontecia é que a separação era

muito definida. Tinha todas as moléculas separadas e

localizadas na zona indicada. Podia contar completamente a

distância desde o local de aplicação até onde as moléculas

estavam localizadas.

Quando existe difusão, não sabemos muito bem

onde considerar o X. Conforme a curva é mais deitada,

tanto mais difícil é definir exactamente o ponto máximo de

moléculas

Num sistema multicomponente, estas curvas começam a sobrepor-se todas, se não houvesse

difusão.

Podia separar direito cada molécula conforme o seu peso moléculas. As que se depositam no

fundo eram as mais pesadas. Agora, porque há difusão, fica uma coisa tão distorcida que não se consegue

definir se essas moléculas são todas iguais ou se há mistura de moléculas com peso molecular diferentes.

SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO –– movimento de uma partícula por acção de um campo centrífugo.

Técnica usada para separar purificar analisar espécies celulares (proteínas, ácidos nucleicos,

cromossomas, mitocôndrias, polímeros, etc.

74

SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: TTÉÉCCNNIICCAA DDAA VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

Método para determinar o coeficiente de sedimentação.

Consiste em:

- Colocar uma amostra com várias moléculas de peso molecular diferente num tubo de centrífuga, a

rotação muito elevada a tempo determinado;

- Relativamente ao mesmo ponto do tubo vai-se registando o perfil de gradiente de concentração que

se estabelece devido à força centífuga.

Para além da força de sedimentação há outro fenómeno responsável pelo movimento aleatório das

partículas:

DIFUSÃO

↓

O perfil de sedimentação, caso não houvesse difusão, seria uma recta. A banda no gráfico estaria

perfeitamente definida por acção apenas da força centrífuga. As moléculas dispunham-se conforme o seu

peso molecular.

Devido a este fenómeno, a curva é sinusoidal. A inclinação desta curva indica o grau de difusão,

ditando os limites de separação das moléculas. Como há difusão, há maior número de moléculas num

ponto mas também há moléculas nos pontos adjacentes.

A menos que se recorra a métodos mais sofisticados e caros, a separação das moléculas nunca é a

ideal.

A equação que exprime a velocidade de sedimentação diz-nos:

- Quanto maior a massa da partícula, mais lento é o seu movimento num campo centrífugo.

- Quanto mais densa a partícula (menor for õ) mais rápido é movimento quanto mais densa a solução, mais

lento é o movimento.

- Quanto maior for o coeficiente de fricção (factores tais como viscosidade, forma da partícula, etc,

influenciam este parâmetro) mais lento é o movimento da partícula.

- A velocidade da partícula é zero quando a densidade da solução é superior à densidade da partícula.

- Quanto maior for a força centrífuga (ω2r) mais rapidamente a partícula sedimenta.

SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO Num campo centrífugo, a partícula será acelerada até que a força centrífuga seja balanceada pela

força de fricção.

e

Como s depende das propriedades da solução, os valores medidos de s, devem ser convertidos às

condições padrão, (temperatura é 20°C e o solvente é a água) (para poderem ser comparáveis para diferentes

moléculas).

75

f é um parâmetro que identifica o tipo de molécula, ou seja, cada molécula tem um valor de f

definido em condições padrão. Permite calcular o peso molecular da substância e está relacionado com a

rotação a que a molécula é sujeita.

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: FFAACCTTOORREESS DDEE QQUUEE DDEEPPEENNDDEE

S é sensível à temperatura , pH e concentração

• Para comparar s resultante de diferentes medidas

-Converter s aos valores padrão (água pura a 20ºC –S20,w)

-Se dois solventes dão valores muito diferentes de S20,w, a molécula tem diferentes conformações nos dois

solventes

• S aumenta com o peso molecular

• Moléculas altamente assimétricas têm valores de s mais baixos do que moléculas globulares

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO && MMAASSSSAA MMOOLLEECCUULLAARR:: MM.. MMOOLLEECCUULLAARR AABBSSOOLLUUTTAA

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: SSIIGGNNIIFFIICCAADDOO

O coeficiente de sedimentação é a distância, em cm, percorrida pela molécula, durante 1 segundo,

sob efeito de uma força de 10-2 N kg-1, no solvente água, a 293 K

S depende:

76

a) Propriedades moleculares da molécula.

m - massa molecular

υ - volume específico parcial

f – forma da molécula

b) Propriedades da solução.

ρ - densidade

η - viscosidade (porque f depende de ç)

CCOOEEFFIICCIIEENNTTEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: MMÉÉTTOODDOOSS DDEE DDEETTEERRMMIINNAAÇÇÃÃOO

Método da velocidade de sedimentação

(fornece informação hidrodinâmica sobre as moléculas em solução)

Os parâmetros experimentalmente determinados incluem o coeficiente de sedimentação, s, a

constante de difusão, D, e em alguns casos, a massa molecular, M. Se a massa molecular é conhecida, o

coeficiente de sedimentação pode ser usado para obter uma estimativa da forma molecular da molécula

em solução

Usado para grandes moléculas que difundem lentamente.

A força de sedimentação deverá ser muito superior à força de difusão.

CCEENNTTRRIIFFUUGGAAÇÇÃÃOO:: VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO LLIIMMIITTEE

VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: PPEERRMMIITTEE CCAALLCCUULLAARR

- Coeficiente de sedimentação

- Coeficiente de difusão (se os componentes sedimentados são bem preparados)

- Massa efectiva dos componentes do soluto

- Massa / Peso molecular

VELOCIDADE DE SEDIMENTAÇÃO LIMITE: LIMITAÇÕES AO MÉTODO

- Dispersão das zonas limite (se a difusão se torna significativa)

77

-Difusão e sedimentação são duas formas de transporte do soluto

-A sedimentação gera gradiente, a difusão opõe-se a esse efeito

- Dificuldade de separar componentes em misturas complexas

- Necessita de equipamento caro

A sedimentação permite verificar se há homogeneidade ou heterogeneidade no sistema.

1º CASO:

Sistema com um componente ( as bandas espalham-se devido à difusão e dá um aspecto

sigmoidal).

Uma banda de separação – o sistema é constituído por um componente

2º CASO:

Sistema multicomponente (os degraus que definem os perfis de cada componente podem perder

definição quando aumenta a difusão).

3º CASO:

Se o sistema é constituído por mais do que um componente formam-se várias bandas de

sedimentação. Contudo, a difusão sobrepõe-se à sedimentação; assim, não há semicurvas perfeitamente

definidas, tornando-se difícil concluir qual a composição da amostra. Sem análises posteriores é

impossível afirmar se o limite de espalhamento é devido à heterogeneidade de S se é devido à difusão.

Recorre-se a outras técnicas.

78

EXERCÍCIO PRÁTICO

1- Regista-se a distância que a substância percorre a tempos diferentes desde o topo do tubo até um

determinado ponto.

2- Faz-se um gráfico do logaritmo em função do tempo. O declive da recta do gráfico é o valor de f.

Este valor é influenciado pelo valor de rotação.

Nota 2: O valor de rotação é dado em rad/s.

3- Compara-se o valor obtido com os valores tabelados.

79

!

CCEENNTTRRIIFFUUGGAAÇÇÃÃOO:: VVEELLOOCCIIDDAADDEE DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO EEMM GGRRAADDIIEENNTTEE DDEE DDEENNSSIIDDAADDEE

Para prevenir a dispersão causada pela difusão recorre-se a um artifício → colocam-se as

macromoléculas num meio altamente denso e estável (normalmente sucrose). Como o meio é muito

denso, impede a difusão e a banda de sedimentação será mais definida.

Juntamente com a sedimentação das moléculas ocorre um gradiente de concentração da sucrose

pois esta também está sujeita à rotação. Contudo, a sedimentação das bandas a que corresponde cada

macromolécula sobrepõe-se a esse gradiente.

Há uma separação definida, assim como caracterização das substâncias

↓

↓

Técnica usada para ultrapassar a limitação da técnica da velocidade de sedimentação.

a)- Uma camada de solução de macromoléculas é colocada no topo de um tubo de

centrífuga contendo sucrose;

b) Por rotação as macromoléculas movem-se em função do campo centrífugo. A sucrose

também desenvolve um gradiente. O gradiente da sucrose também garante que a densidade do

“solvente” seja sempre superior à densidade da zona de concentração. Garante a estabilidade

da zona.

c) S é determinado pelo deslocamento da banda, no tubo de centrífuga, com o tempo.

LIMITAÇÕES:

- Não é exacta a medida da massa molecular porque a sucrose mistura-se com a substância

VANTAGENS:

- Separação completa dos componentes de uma mistura

- Relativamente barata

CCEENNTTRRIIFFUUGGAAÇÇÃÃOO:: EEQQUUIILLÍÍBBRRIIOO DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO

- Outra forma de cálculo de f;

- A difusão não intervém nos resultados.

Coloca-se a amostra numa centrífuga que permita baixa velocidade de rotação; a difusão sobrepõe-

se à sedimentação. As moléculas vão-se sedimentando e difundindo. Passados vários dias, as duas forças

equilibram-se e é possível analisar a banda.

O fluxo de sedimentação é directamente proporcional à velocidade e à concentração da substância.

O fluxo de difusão depende do gradiente de concentração e do coeficiente de difusão (D).

Quando as forças se anulam, obtém-se o valor da velocidade de depósito ou velocidade terminal.

80

É um processo utilizado para determinar a velocidade de sedimentação ou depósito das moléculas

sanguíneas. Há um tempo normal de sedimentação. Havendo patologias, há variação da viscosidade,

aparecimento de moléculas indesejadas, etc. Deste modo, há variação do tempo de sedimentação.

Informação termodinâmica

Equilíbrio de gradiente de concentração: sedimentação é exactamente balanceada pela difusão

(moléculas exponencialmente distribuídas ao longo da célula).

EEQQUUIILLÍÍBBRRIIOO DDEE SSEEDDIIMMEENNTTAAÇÇÃÃOO:: PPEERRMMIITTEE CCAALLCCUULLAARR

- Massa / peso molecular

- Homogeneidade em relação ao peso molecular

- Estados de agregação

- Estequiometria e constantes de equilíbrio para processos de associação

VANTAGENS:

- Não é necessário o cálculo de D para cálculo do peso molecular.

- Dá indicações da homogeneidade do sistema relativamente ao peso molecular das partículas

constituintes.

- Permite saber o estado de agregação das moléculas e consequentemente a estequiometria e os

estados de equilíbrio.

81

MMEEDDIIDDAASS EEMM CCEENNTTRRIIFFUUGGAAÇÇÃÃOO AANNAALLÍÍTTIICCAA:: EEXXEEMMPPLLOOSS

VELOCIDADE DE SEDIMENTAÇÃO: Registo feito a tempos diferentes

EQUILÍBRIO DE SEDIMENTAÇÃO: Ao fim de alguns dias, quando a velocidade terminal se atinge,

regista-se a variação da concentração em dois pontos relativamente a duas distâncias definidas e

relaciona-se graficamente o logaritmo dessa relação para determinar o valor de Ө.

CCEENNTTRRIIFFUUGGAAÇÇÃÃOO:: EEQQUUIILLÍÍBBRRIIOO DDEE GGRRAADDIIEENNTTEE DDEE DDEENNSSIIDDAADDEE

Para que as bandas sejam mais definidas, sujeita-se a sedimentação a um gradiente de densidade

em cloreto de césio com concentração bem definida. A separação das moléculas é evidente.

Há também variação do gradiente de concentração do cloreto de césio mas a sedimentação

sobrepõe-se a esse gradiente.

Nota: A sucrose não é escolhida porque a sua densidade não é suficientemente elevada.

Solução de macromoléculas preparada

em solução de CsCl

82

!

Centrifugação até ao equilíbrio produz um forte gradiente de CsCl e consequentemente um gradiente

de densidade através do tubo.

Se a concentração de CsCl é correctamente escolhida as macromoléculas migram em banda através

do gradiente do solvente até que (1-υmoléculaρ)=0

EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE:: GGEENNEERRAALLIIDDAADDEESS

- Transporte de partículas num campo eléctrico.

- Permite calcular o peso molecular das substâncias e caracterizá-las.

- Usada para separar compostos com carga.

- Usada na biologia para separação de aminoácidos, peptídeos, proteínas e ácidos nucleicos, em

condições propícias. Ajusta-se principalmente o pH porque de eacordo com este, as moléculas adquirem a

sua carga. Moléculas negativas e positivas movem-se em direcções opostas ao campo eléctrico.

- Determinação da composição das proteínas por comparaçãocom padrões electroforéticos.

As moléculas são colocadas num suporte físico ao qual é adaptado um sistema de variação de

tensão e de acordo com a polaridade desse sistema, as moléculas negativas migram para o pólo positivo e

as positivas para o pólo negativo.

↓

Há separação perfeita…

Este método é o utilizado para conhecer o perfil das γ-globulinas. Permite conhecer a

composição das proteínas de acordo com os aminoácidos que as constituem, segundo a

afinidade dos mesmos para a substância usada.

EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE:: PPRRIINNCCÍÍPPIIOOSS GGEERRAAIISS

Em situação ideal…

Ao meio em que se encontra a molécula é aplicada uma diferença de potencial e de acordo com o

número de cargas da molécula e com o número de cargas do meio, a molécula movimenta-se mais ou

menos lentamente. Só a molécula é carregada.

Mas…

83

A molécula tem tendência a atrair moléculas de carga oposta do meio porque há tendência para a

electroneutralidade. Assim, a carga efectiva da molécula deriva da sua carga real em conjunto com as

cargas que atraiu. Num solvente não condutor:

Força de Coulomb: F = Z e E

Z – nº de cargas

e – grandeza da carga

E – grandeza do campo eléctrico

Força de fricção: Fd = - f u

Para uma partícula esférica: f=6πrn

EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE:: MMOOBBIILLIIDDAADDEE EELLEECCTTRROOFFOORRÉÉTTIICCAA

Para além de uma força de Coulomb

que promove o movimento da partícula e

que só depende do campo eléctrico, da

carga efectiva da molécula e do número de

cargas existentes (por exemplo, 2moléculas

= 2 cargas; 5 moléculas = 5 cargas), há

outra força que impede o movimento: força

de fricção, relacionada com a viscosidade

do meio e o raio da partícula.

Quando a força de fricção iguala a

força que promove o movimento, força electroforética, a molécula estaciona em determinada zona do

meio físico em que está contida.

Pode, então, definir-se a velocidade de migração da molécula que depende de:

- força de Coulomb

- força de fricção

A velocidade de migração depende:

- do valor do campo eléctrico

- da mobilidade electroforética

EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE::MMOOBBIILLIIDDAADDEE EELLEECCTTRROOFFOORRÉÉTTIICCAA

Permite medir a carga da partícula num meio não condutor.

Como a molécula tem tendência a formar uma atmosfera iónica, torna-se difícil interpretar os

resultados da mobilidade e os valores tabelados não irão coincidir com os obtidos.

A carga das moléculas altera o coeficiente de fricção.

84

!

Conclui-se…

A mobilidade electroforética não é um parâmetro absoluto mas sim relativo de caracterização.

CCOOMMOO ÉÉ RREEAALLIIZZAADDAA AA EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE……

…Em suporte físico com

- Gel de agarose

- Poliacrilamida

↓

Fita onde se estabelece uma diferença de potencial. Conforme a

carga e o tamanho da partícula e a diferença de potencial, há

movimentação da mesma.

Quando a velocidade de migração permite diferenciar as

moléculas relativamente ao seu tamanho e carga, consegue determinar-se o peso molecular.

A velocidade de migração depende:

- Da carga

- Do tamanho ( que é proporcional ao peso molecular)

↑ carga da partícula → ↑ velocidade de migração para o eléctrodo de carga oposta

↓ tamanho da partícula → ↑ velocidade de migração

Determinando a distância percorrida pode-se, por

exemplo, determinar a sequência de ADN. Os

ácidos nucleicos podem ser separados de acordo

com o peso molecular porque possuem uma

carga de fosfato por cada base (nucleótido). Para

as proteínas o número de cargas depende da composição dos

aminoácidos e do pH do tampão. Para além disso também se

pode conhecer a sua conformação, pois as cadeias polipetídicas de determinado

comprimento podem adquirir diferentes formas com diferente coeficiente de fricção (f

) (é proporcional ao seu comprimento).

APLICAÇÕES:

- Conformação dos ácidos nucleícos ( ácidos nucleicos com igual peso molecular têm diferentes

mobilidades electroforéticas)

- Peso molecular das proteínas

- Carga das proteínas

- Interacções macromoleculares

85

EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE EEMM GGEELL:: PPEESSOO MMOOLLEECCUULLAARR

u Os ácidos nucleicos podem ser separados de acordo com o peso molecular porque possuem

uma carga de fosfato por cada base (nucleótido)

u Para as proteínas o número de cargas depende da composição dos aminoácidos e do pH do

tampão

uAs cadeias polipetídicas de determinado comprimento podem adquirir diferentes formas com

diferentes coeficiente de fricção (f ) (é proporcional ao seu comprimento)

Para usar a electroforese para determinar o peso molecular é necessário:

- Desnaturar as proteínas

- Introduzir uma carga em cada peptídeo

Então, para que os resultados de mobilidade sejam fiáveis, pode-se introduzir uma carga em cada

peptídeo ou promover desnaturação das proteínas. Faz-se electroforese em gel, usando um detergente

aniónico (SDS) e 2-mercaptoetanol para promover a separação (quebra as ligações sulfureto das proteínas

mantendo a sua forma).

Se a concentração de detergente for próxima da concentração dipolar crítica (>10-3M), as proteínas

ligam-se em quantidade constante ao SDS e carga deste anula a carga intrínseca da proteína. Forma-se

um novelo do complexo SDS-proteína, que é proporcional ao peso molecular da proteína.

A mobilidade é constante para o SDS, p excedente é relativo à proteína.

Agora, o perfil hidrodinâmico da proteína e função

- do seu peso molecular

- da distância de migração

em relação logarítmica.

Registando a mobilidade em função do log de N, obtém-se uma recta de calibração que, quando

efectuada em padrões electroforéticos, obtém-se uma curva de calibração que pode ser usada para

calcular o peso molecular de uma proteína.

FACTORES DE QUE DEPENDE ESSA RELAÇÃO:

1 – Quantidade constante de detergente ligado por unidade de peso de proteína

86

2 – Carga que o detergente adquire em função da carga da proteína.

Nota: desvios a esta relação ocorrem quando as proteínas se ligam a uma quantidade anormal de

SDS (glicoproteínas) ou transporta um número elevado de cargas (histonas).

Para proteínas nativas a mobilidade depende:

- da carga da proteína

- do coeficiente de fricção

De que depende a carga da proteína?

- da composição dos aminoácidos

- da carga dos ligandos ligados covalentemente ou reversívelmente

- do pH (escolha criteriosa deste permite separar diferentes proteínas)

EELLEECCTTRROOFFOORREESSEE:: CCAARRGGAA DDAA PPRROOTTEEÍÍNNAA

Como o aminoácido tem uma estrutura com carga positiva ou negativa e de acordo com o pH se

torna positivo ou negativo, as condições de pH devem ser perfeitamente definidas.

A mobilidade de um aminoácido

depende do pH. Quando o aminoácido

tem uma carga positiva, desloca-se para o

pólo negativo. As cargas anulam-se no

ponto isoeléctrico, a determinada altura.

Continuando a aumentar o pH do meio, a

partícula torna-se mais negativa. Vai-se

movimentar para o pólo positivo. Assim, a mobilidade varia apenas em função da carga do SDS.

Como a proteína se liga em quantidade fixa ao SDS pode-se relacionar o valor da mobilidade com o

peso molecular.

Quantidade correspondente ao ponto isoeléctrico = ponto isoiónico (pH para o qual as

macromoléculas não transportam carga como resultado da perda ou ganho de protões das reacções ácido

base).

EXERCÍCIO: DIFUSÃO

87

Fenómenos de transporte : Reologia

Reologia: ciência que estuda o transporte de matéria

APLICAÇÕES PRÁTICAS:

Processos industriais :

-Acompanhamento de reacções químicas

-Controlo de qualidade dos produtos durante o processamento

-Controlo de processos industriais

Propriedades de diversos materiais

-Óleos

-Alimentos

-Tintas

-Asfaltos, etc, etc

Actividade medicamentosa

-Fórmulas de acção prolongada

-Fórmulas para administração sub-cutânea

-Veículo das preparações

Estabilidade das formulações

-Suspensões e emulsões

-Ácido ascórbico

-Sensação dolorosa

Preparação de formulações

-Supositórios

-Verificação (gelificação in vitro- para ensaio espirogéneo, em ambiente asséptico para não haver

proliferação de microrganismos. Se há variação da viscosidade do meio, significa que houve proliferação )

Estados patológicos

-Secreções – em ginecologia, por exemplo, tomam especial relevância, para programação da

fertilidade, etc.

A variação da viscosidade em fluidos corporais pode ser indicadora de patologias.

-Anti-inflamatórios

-Expectorantes

88

Reologia: Deformação, Elasticidade e

Fluxo

Quando uma força é aplicada a um corpo, pode não causar nenhum efeito. Pode, contudo, causar

uma deformação que pode ser classificada de acordo com a força que a provocou.

Chama-se a esta força stress.

Essa deformação também depende da área.

STRESS

- força que aplicada a um corpo lhe causa deformação

- exprime-se em Pascal (1Pascal = 1Pa = 1 N/m2)

Se o stress é perpendicular à área deformada, chama-se stress normal e representa-se por σ.

A aplicação do stress pode causar uma variação de comprimento em relação ao comprimento inicial,

ou seja, pode produzir uma deformação linear. A deformação que o corpo sofre é função do stress e este é

proporcional à deformação causada.

A deformação é denominada de módulo de elasticidade ou módulo de Young.

Na deformação linear…

89

Há corpos que, ao deixar de se lhes aplicar uma força deformadora, voltam à forma inicial. Há um

limite em que isto não s verifica: limite elástico.

Até aqui não há quebra de ligações das cadeias e a molécula tem tendência a regressar à posição

inicial. A partir deste momento há quebra da ligação das moléculas não podendo estas retornar à posição

inicial. Deixa de haver reversibilidade da deformação e passas a haver fluxo.

Na compressão…

Sempre que a força á aplicada em várias direcções e não numa só, pode ocorrer variação do volume

em relação ao volume inicial. Então o stress é proporcional à variação do volume. Ocorre compressão.

Como a variação do volume é negativa (Vf <Vi), a compressão ou stress é afectada por um sinal

negativo.

Em corpos perfeitamente elásticos…

90

Qualquer deformação provocada na largura e no comprimento mantém-se constante. Esta relação

constante é característica das substâncias. É a relação de Poisson:

Em substâncias em que a ligação é menos forte, a relação de Poisson é muito característica. Nos

metais, o esforço que é preciso realizar para quebrar as ligações é tanto que é difícil ser atingido.

Em substâncias com forças de ligação ainda mais fracas, nomeadamente líquidos, abaixo do limite

de elasticidade, a força é suficiente para deslocar as moléculas, mas acima desse limite começa a haver

deslocamento das moléculas e esses corpos exibem fluxo: corpos viscosos ou corpos de Newton.

FLUXO – capacidade de as moléculas se movimentarem na direcção da força que produz esse

movimento, ou seja, na direcção do stress.

TIPOS DE FLUXO:

► Turbulento – movimento desordenado de partículas.

► Laminar – fluxo que se processa no organismo.

Ex: Nos mergulhadores que que mergulham a altas profundidades, o fluxo de oxigénio começa a ser

turbulento, podendo levar à morte.

Resumindo…

Abaixo de L insuficiente para deslocar moléculas vizinhas;

Acima de L suficiente para deslocar moléculas vizinhas;

Corpos que exibem fluxo =corpos viscosos = Corpos de Newton

91

VISCOSIDADE

TRADUZ:

-a medida da resistência ao fluxo;

-uma fricção interna entre camadas adjacentes, sendo o resultado de colisões moleculares, sendo

causada uma resistência que define o fluxo.

EXPERIMENTALMENTE

Sob condições de fluxo laminar, a força necessária para movimentar uma placa, a velocidade

constante, contra a resistência de um fluido, é proporcional á área da placa e ao gradiente de velocidade.

Constante de proporcionalidade = viscosidade

Visualiza-se o líquido como um conjunto de placas paralelas que se movimentam na direcção de

uma força a velocidades diferentes. O atrito que a placa superior sofre é praticamente nulo, logo, a sua

velocidade será superior à da placa inferior. O acumular dos atritos das placas superiores em conjunto com

o atrito da superfície sólida com que o liquido está em contacto, interferem na velocidade da placa inferior.

A força que produz o deslocamento é directamente proporcional à área da solução e à velocidade

com que as placas se deslocam. É inversamente proporcional ao comprimento:

η é constante

Equação de Poiseuille

Se um líquido Newtoniano é levado a fluir de um modo aerodinâmico, ao longo de um tubo cilíndrico,

de comprimento l e de raio, r, em virtude da diferença de pressão entre os seus extremos, .p, o volume de

líquido que flui num dado tempo, t, é dada por :

92

É por este motivo que na arteriosclerose, o volume de sangue é condicionado pela diminuição do

raio das artérias devido à deposição de gordura nas suas paredes. É exigido um esforço adicional ao

coração para que o volume de sangue que flui por unidade de tempo seja o mesmo.

Através desta expressão tem-se a variação da viscosidade dinâmica dos líquidos.

Laminação

A laminação consiste no deslocamento de placas paralelas de área A e de estrutura infinitesimal que

se movimentam na direcção da força aplicada. Essa força é directamente proporcional ao módulo de

laminação e provoca esforço de laminação, logo, também é directamente proporcional a este.

O esforço de laminação consiste na variação da distância das placas relativamente à posição inicial

e pode ser quantificado através da velocidade do movimento.

Como avaliar a extensão de deformação?

Através da velocidade de laminação (velocidade a que varia o esforço de laminação relativamente ao

tempo)

93

1) Viscosidade Dinâmica

É a forma mais comum de viscosidade, frequentemente abreviada para viscosidade . As unidades

em SI são pascal.segundo (Pa s) ou poise (P).

Fluidez é o recíproco da viscosidade

(φ= 1/ η)

2) Viscosidade cinemática

É utilizada para caracterizar substâncias com propriedades químicas semelhantes. Exprime-se em

Unidades do sistema Internacional ( Pa sKg-1 m3 ) ou em stokes

1 stoke = 1 cm2s-1

Quando se trata de macromoléculas ou moléculas diluídas em solventes com determinadas

características de viscosidade, não se trata de viscosidade dinâmica, visto que as moléculas apresentam

determinada resistência assim como o solvente. Então é necessário conhecer outros valores de

viscosidade para caracterizar o disperso e o meio de dispersão e a ligação entre ambos.

94

3) Viscosidade Relativa

Dá indicação do tamanho da molécula presente na solução.

Se há grande interacção entre o soluto e o solvente não há desvios de linearidade. O mesmo não

acontece se não há essa interacção.

4) Viscosidade Específica

η- viscosidade dinâmica

η0- viscosidade do líquido

5) Viscosidade Inerente

C – concentração

Pode ser um parâmetro de caracterização e serve para calcular a massa molar do composto e tem o

mesmo significado da viscosidade intrínseca.

6) Viscosidade Reduzida

95

7) Viscosidade Intrínseca

Quer haja ou não grande interacção entre o soluto e o solvente é a forma mais rigorosa para

determinar a massa da partícula já que este valor está relacionado com o volume hidrodinâmico da

partícula.

Não depende da temperatura , depende apenas da fase dispersa e da fase de dispersão.

VISCOSIDADE INTRÍNSECA E VISCOSIDADE INERENTE

Se as substâncias forem esféricas há uma relação proporcional entre a viscosidade intrínseca ou a

inerente com a massa molecular da substância. Então, viscosidade intrínseca ou viscosidade inerente é

directamente proporcional à massa elevado a ½.

96

Ou generalizando:

e 0<a<1,0

K e a = constantes características da fase dispersa, do meio de dispersão e da temperatura. a é

característico da fase dispersa e tem a ver apenas com a conformação da molécula.

O valor de a está tabelado para as diferentes moléculas consoante a sua conformação e raio.

No caso de se tratar de soluções de macromoléculas pode obter-se linearidade entre viscosidade

específica e concentração. Nesta situação a única forma de utilizar a relação é fazendo logaritmo da

viscosidade em função do logaritmo da massa molar.

O declive da recta dá o grau de interacção entre as partículas e o peso molecular pode ser

encontrado por interpolação gráfica.

Contudo, a viscosidade não dá o valor absoluto de peso molecular da substância. Através da

viscosidade obtém-se a massa molecular média ou a massa molecular ponderal média, que tem a ver com

a massa molecular das partículas e também com o número de partículas que têm determinada massa

média; ou o peso molecular das partículas relacionado com o seu peso molecular na fase dispersa.

97

Viscosidade: é função de ….

1. Forma e estrutura do soluto

2. Peso molecular do soluto

3. Concentração do soluto

4. Temperatura

5. Pressão

1.Viscosidade & estrutura da partícula

Devido às inúmeras conformações que a cadeia polimérica pode assumir, a melhor representação

da sua morfologia é a de um novelo aleatório.

A dependência de [η] com o formato molecular deve-se ao movimento de rotação da molécula, ou

seja, ao coeficiente de fricção que cada segmento do polímero exerce sobre o centro de massa da

partícula. [η] é expressa em unidade de volume por unidade de massa e está directamente relacionada

com o volume hidrodinâmico da partícula.

[η] depende:

- massa molecular

- da interacção entre os segmentos do polímero e das moléculas do solvente

Quanto maior for a interacção, tanto maior (mais inchado) será o novelo do polímero.

↑interacção→↑resistência→↑viscosidade

Quando as interacções entre a partícula e o solvente são mínimas ou nulas, a partícula adquire uma

morfologia aproximadamente de uma esfera rígida. O volume hidrodinâmico da partícula é mínimo.

Para partículas esféricas (segundo Einstein)

A fracção de volume é também característico visto que depende apenas da viscosidade.

Modificação da equação por Simha para ter em conta partículas com outras formas (que não

esférica)

98

v está tabelado consoante a forma da partícula.

2.Viscosidade & temperatura ou pressão

Para Líquidos: diminui com o aumento da temperatura e aumenta com a pressão.

Para Gases: aumenta com o aumento de temperatura e é praticamente independente da pressão.

99

Viscosidade e Temperatura

3.Viscosidade & concentração

Se a solução é de partículas muito pequenas, deveria haver um aumento proporcional da

viscosidade com a concentração de soluto. Em ambientes macromoleculares não acontece porque com o

aumento da concentração de soluto as interacções com o solvente tornam-se cada vez menores e o perfil

é o seguinte :

Viscosidade versus concentrações de soluções de sacarose

É impossível através dos valores de viscosidade chegar à massa molecular. É necessário

logaritmizar a função de modo a obter uma recta para o poder fazer.

4.Viscosidade e forças intermoleculares

↑forças intermoleculares→↑fricção interna→↓viscosidade

100

Reologia: medidas da viscosidade

Viscosímetro capilar

Funcionamento: mede-se o tempo que um dado volume de líquido leva a escoar através de um

capilar (v,r e l são constantes)

∆p é proporcional a ρ

Posteriormente, compara-se com um líquido de η e ρ conhecidos:

Desvantagem : é difícil calcular ∆p e o raio do capilar. Assim, efectua-se a experiência com um

líquido de viscosidade conhecida, normalmente água, e com o líquido que se pretende conhecer.

Viscosímetro do corpo cadente ou viscosímetro de Hoppler

Determinação absoluta da viscosidade.

101

Funcionamento: uma esfera de massa m e raio r é deixada cair num cilindro de líquido, medindo-se a

velocidade terminal, V, por rigorosas aferições do tempo que a esfera demora a passar entre duas marcas.

Viscoselasticidade

Fluidos viscoelésticos – demonstram propriedades viscosas (de fluidos) e eléctricas (de sólidos).

Exemplos: natas, base de gelado, manteiga de amendoim, manteiga

de cacau...

Curvas representativas da diferença entre materiais viscosos, viscoelásticos e elásticos quando

sujeitos a deformação

Para um líquido ideal qualquer tensão de corte aplicada produz sempre a mesma variação de

velocidade de escoamento, ou seja, a tensão de corte é sempre proporcional ao escoamento.

Graficamente, traduzindo esta relação (velocidade de escoamento versus força), obtém-se

proporcionalidade, o que significa que traduzindo a viscosidade em função do escoamento, se obtém um

valor constante.

102

Há substâncias em que à medida que o solvente se desloca, desloca também as moléculas de

soluto, sendo sempre a velocidade de escoamento proporcional à força aplicada.

São exemplos a água, o leite, soluções de açúcar... São líquidos newtonianos.

Líquidos newtonianos : A viscosidade não se altera independentemente da força aplicada ao

movimento das placas paralelas de líquido.

Há, no entanto, substâncias que apresentam desvios ao fluxo newtoniano. O seu estudo não pode

ser feito em viscosímetros tradicionais, tem de ser efectuado em viscosímetros rotativos porque é

importante saber qual a variação de viscosidade em função do stress aplicado.

Viscosímetro rotativo

Características:

- Medem a viscosidade por detecção do “torque” que é necessário à rotação de um “spindle”

mergulhado num líquido, a velocidade constante. O torque é proporcional à viscosidade.

– Actuam numa ampla zona de stress e de velocidade de laminação.

– Permitem fazer medições contínuas a uma dada velocidade de laminação durante extensos

períodos de tempo (tixotropia e reopexia).

– Permitem distinguir o comportamento de vários tipos de fluxo.

Quais os tipos de viscosímetros rotativos mais comuns?

– De cilindro concêntrico (a taça move-se e o centro não)

– De cone ou de disco (a parte central move-se)

Como funcionam?

– Mede a viscosidade “sentindo” a força (torque) que é necessário aplicar para fazer rodar um

cilindro (spindle) a uma velocidade constante quando está imerso no líquido em estudo.

103

A viscosidade calculada não é absoluta, é aparente, já que mede o stress de laminação versus a

velocidade de laminação num determinado ponto da curva reológica. Na determinação da viscosidade

absoluta no viscosímetro de corpo cadente a viscosidade é constante, o valor obtido é absoluto.

Em fluidos pseudoplásticos é necessário um pequeno torque para que a viscosidade se altere. Esse

torque tem de ser superior para fluidos plásticos.

Tendo em conta a composição e a estrutura das substâncias que constituem as soluções, a

viscosidade como parâmetro físico pode não variar com a pressão exercida sobre a solução, ou seja, as

forças de coesão não se alteram para os diferentes valores de pressão ou stress de laminação. É o caso

dos fluidos newtonianos.

O mesmo não acontece com soluções macromoleculares constituídas por polímeros que adquirem

conformação diferente consoante o stress de laminação aplicado. São exemplos o fluido pseudoplástico, o

fluxo plástico e o fluido dilatante.

Neste tipo de fluxo não é possível utilizar o viscosímetro de capilar. É necessário usar viscosímetros

rotativos em que se controla a força de laminação e a velocidade de laminação.

Então, variando a viscosidade para cada um dos pontos da curva reológica, tanto no fluxo

pseudoplástico como no plástico, o valor da viscosidade que o viscosímetro exibe é apenas aparente e

relaciona Τ em função de D.

Valores de viscosidade aparente para fluidos com comportamento não newtoniano

comparados com o fluxo newtoniano.

D

104

1- Fluxo plástico

2- Fluxo de Bingham

3- Fluxo peseudoplástico

4- Fluxo Newtoniano

5- Fluxo dilatante

FLUXO PSEUDOPLÁSTICO

Materiais pseudoplásticos = diminuidores de laminação

A viscosidade vai diminuindo à medida que aumenta a velocidade de laminação.

A viscosidade estudada pelo aumento do stress de laminação versus velocidade de laminação tem o

seguinte comportamento:

Quando submetidas a uma pressão, as partículas alinham-se, estreitando as distâncias entre si e

diminuindo entre elas a quantidade de líquido constituinte da fase externa. A viscosidade do sistema

diminui, proporcionalmente com o aumento da pressão.

No momento em que se pára de aplicar o stress de laminação, o polímero tem tendência a recolher e

a retomar a sua conformação inicial, entrelaçadas e ligadas com as moléculas da fase externa, não

havendo dependência deste fenómeno relativamente ao tempo.

105

No caso de polímeros de cadeia muito longa, como é o exemplo dos polissacarídeos, não se verifica

o mesmo.

Exemplos:

Cremes da área da cosmética e da indústria farmacêutica.

FLUXO DILATANTE

Materiais pseudoplásticos = espessantes de laminação

Característico de sistemas que contêm elevadas concentrações de partículas em suspensão, como é

o exemplo da areia seca.

A viscosidade aumenta à medida que aumenta a velocidade de laminação. Isto tem a ver com a

conformação que as partículas possam adquirir por acção de uma pressão externa. Os aglomerados de

partículas expandem-se, o que leva a um maior atrito, ou seja, uma maior resistência ao escoamento.

Quando em repouso, as partículas formam um sedimento agregado.

106

FLUXO DE PLÁSTICO E CORPOS DE BINGHAM

A viscosidade diminui com o aumento do stress de laminação. Contudo, esse decréscimo só ocorre

a partir de determinado valor de stress de laminação.

No entanto, há substâncias que se comportam como fluidos newtonianos, ou seja, revelam

proporcionalidade entre a viscosidade e o stress, mas essa proporcionalidade só ocorre a partir de

determinado valor. São os corpos de Bingham.

Exemplos: pasta de tomate, tintas, argilas, certas dispersões; creme de mãos; alguns ketchups;

pasta dos dentes.

Nota: No caso das tintas, para que se tornem mais fluidas, sujeitam-se a uma pressão. A partir de

determinado ponto, o valor de campo, a tinta torna-se menos sólida e mais fluida.

RESUMINDO…

Viscosidade: Parâmetro físico caracterizador da substância

Atrito que as moléculas exercem numa superfície.

107

Se:

1) ↑ stress de laminação (= agitação = pressão) → a viscosidade mantém-se →

FLUIDO NEWTONIANO

2) ↑ stress de laminação → há alinhamento das moléculas → ↓ viscosidade →

FLUXO PSEUDOPLÁSTICO

3) ↑ stress de laminação → há expansão das moléculas → ↑ atrito → ↑ viscosidade →

FLUXO DILATANTE

4) ↑ stress de laminação → a partir de certo ponto ↓ viscosidade → FLUXO

PLÁSTICO

5) ↑ stress de laminação → a partir de certo ponto há proporcionalidade entre

viscosidade e o stress de laminação, como no caso dos fluidos newtonianos → CORPOS DE

BINGHAM

Então

τ - stress de laminação

τ0 -valor de campo

D - velocidade de laminação

K e n - constantes empíricas

O valor de n dita a interacção existente entre o solvente e as partículas em solução.

K e n são constantes químicas que permitem concluir:

Fluxo Newtoniano: τ0= 0 ; K = η

Fluxo dilatante: τ0= 0 ; n > 1

Fluxo Pseudoplástico: τ0= 0 ; n < 1

Fluxo Plástico: τ0 ≠ 0 ; n <1

Fluidos não Newtonianos: dependentes do tempo (Tixotropia e Reopexia)

Há substâncias que após serem agitadas levam algum tempo a adquirir a conformação inicial, isto é,

a propriedade reológica que lhe é características; plasticidade, pseudoplasticidade ou dilatância depende

do tempo.

Estas substâncias têm TIXOTROPIA e REOPEXIA.

108

TIXOTROPIA

(comum em química e indústria alimentar)

Está relacionada à pseudoplasticidade e à plasticidade. Ao longo do tempo diminui a viscosidade à

medida que aumenta a força aplicada.

Exemplo:

São exemplo algumas pomadas. Ao serem aplicadas aumenta a sua fluidez, ou seja, diminui a sua

viscosidade. As pomadas não devem ser demasiado fluidas, mas também não devem demasiado viscosas,

pois neste caso, seria necessário aplicar uma força durante muito tempo para que se dessem as trocas

entre as substâncias e a epiderme.

REOPEXIA

(bastante raro)

Está relacionada à dilatância. Ao longo do tempo aumenta a viscosidade, à medida que diminui a

força aplicada.

Exemplo:

A tinta. Após ser aplicado o valor de campo, a tinta fica muito fluida. Quando cessa a aplicação da

força, vai aumentando a sua viscosidade.

O tempo que as moléculas demoram a voltar ao estado normal, pode ser controlado por exemplo

através da tecnologia. Nos alimentos esse controlo é feito através da cartaginina, proveniente da alfarroba,

que tem comportamento tixotrópico.

109

IMPORTÂNCIA DA VISCOSIDADE:

→ Parâmetro físico caracterizador das substâncias

→ Estudo de alterações dos fluidos corporais

Reologia. Aplicações

u Materiais de construção (cerâmica e tijolo)

u Fabricação de tintas

u Química alimentar e processamento do alimento (textura dos

gelados, pasta, alimentos processados, sobremesas)

u Indústria de cosmética

u Química de polímeros (solução e fundidos)

O grau de tixotropia (tempo que a substância demora a voltar ao normal) é quantificável de duas

formas:

→ Pela variação da viscosidade em função da velocidade de laminação;

→ Fazendo um estudo para diferentes velocidades, forças de laminação e tempo. Ir reduzindo o

stress de laminação e registar a velocidade de laminação correspondente.

Desse registo obtém-se o maior ou menor grau de tixotropia.

A viscosidade é mais baixa no início que no fim.

Na reopexia acontece o mesmo. Uma substância que apresenta este comportamento é o iogurte.

Após ser mexido, se deixado em repouso, a viscosidade aumenta.

110

Óptica Geométrica

Natureza da Luz

O que é a luz?

Isaac Newton (1643-1727)

Teoria Corpuscular

- A luz é composta por um conjunto de partículas emitidas por uma fonte.

Christian Huygens (1629-1695)

Teoria ondulatória

Difracção (capacidade da onda contornar um obstáculo (ou fenda) ao ser interrompida

por ele)

Thomas Young (1773-1829)

- Adepto da teoria ondulatória

111

James C. Maxwell (1831-1879)

- Luz = onda electromagnética de elevada frequência

? Então, como explicar o efeito fotoeléctrico?

Albert Einstein (1879-1955)

– A luz surge com base na dualidade onda/partícula

luz = onda electromagética composta por discretos pacotes de energia (fotão) , sendo a

energia de cada fotão igual:

112

O modelo, hoje em dia aceite para a luz e que explica os seus comportamentos, é dualístico: a luz

exibe, umas vezes propriedades de partícula, outras vezes propriedades de onda.

A luz é uma radiação electromagnética capaz de provocar sensação visual num observador normal.

Transporta uma energia chamada energia radiante que é capaz de sensibilizar as células da nossa retina e

provocar a sensação de visão

Luz como partícula

Certas interacções da luz com a matéria requerem a radiação seja visualizada como uma partícula

ou um pacote de energia denominada fotão.

Uma vez que a frequência e o comprimento de onda são inversamente proporcionais, a energia de

um fotão é descrita em termos de comprimento de onda pela equação:

113

Luz como onda (REM)

Onda

→ Vibração que transporta energia de um ponto para o outro mas não transporta matéria

→ Constituída por um campo eléctrico e um campo magnético que se propagam na mesma direcção mas

com planos de vibração perpendiculares.

O campo magnético provoca a distribuição de electrões, ou seja, produz um campo eléctrico. Este,

por sua vez, produz um campo magnético.

Campos eléctricos (E) e magnéticos (M)

oscilantes que se propagam com uma velocidade de

E e M são grandezas vectoriais com direcção

determinada, perpendiculares entre si e também

perpendiculares à direcção de propagação da onda.

Características das R.E.M: Representação matemática

Características das ondas:

→ As ondas electromagnéticas não necessitam de um meio material para se propagar, podem-se

propagar no vazio;

→ Há trocas de energia entre os dois campos;

→ As ondas propagam-se segundo a teoria de Maxwell a altas frequências;

→ São oscilações periódicas que se propagam a três dimensões numa infinidade de direcções.

A onda luminosa mais simples é uma onda sinusoidal pura porque um gráfico da intensidade do

campo E ou do M, traçada em qualquer momento, ao longo da direcção de propagação , é uma função de

seno.

114

ω-frequência angular (rad s-1)

ƒ- Frequência (f) nº de oscilações ou vibrações por segundo num ponto da

onda (Hz ou cs-1)

Período de oscilação = Período (T) - tempo que uma onda demora a completar um

ciclo (s)

� A onda repete-se. É periódica.

� O espaço entre as frentes de onda são constantes – isto é o comprimento de onda (λ)

� Unidades: m; µm ; nm; A°

� (distância, ao longo da direcção de propagação, entre dois pontos com a mesma fase (pontos que

ocupam posições equivalentes na onda ou distância linear entre dois máximos sucessivos ou mínimos

sucessivos).

115

Então…

- A luz não pode ser apenas constituída por uma radiação eléctrica e uma radiação magnética, pois

tendo em conta esta constituição, não seria explecável o fenómeno fotoeléctrico.

- Segundo Einstein, existe uma fotoenergia transportada por partículas – os FOTÕES.

- O campo magnético e o campo eléctrico, embora se propaguem na mesma direcção, têm planos de

vibração em planos complementares, mas ambos na mesma direcção.

- A representação matemática leva em conta parâmetros electomagnéticos.

O Espectro Electromagnético

∗

∗ Na região do visível as diferenças de comprimento de onda manifestam-se com diferenças de cor.

116

Características das R.E.M: Representação matemática

? Como se faz a propagação da onda electromagnética?

A propagação da onda vai-se repetindo no tempo e uma forma de representar a onda é em função

de um dos seus parâmetros ondulatórios relacionados com o tempo ou espaço.

� Relembre que a frequência é o nº de oscilações completas por segundo

� Comparando agora a onda directamente com a função de seno

� A zona marcada corresponde ao 1º ciclo completo de oscilação (um ciclo é completo no tempo T)

� Ao longo do eixo dos x, a medida angular θ é a fase da onda (ou ângulo de fase que é a medida

do ângulo de deslocamento da oscilação inicial em relação a um sistema inerte)

� Um ciclo completo para a onda corresponde a uma variação na fase de 2π radianos

Assim, a função matemática que define essa relação é

PARÂMETROS ONDULATÓRIOS:

- Comprimento de onda λ

- Período Τ

- Amplitude

117

A altura é função da amplitude da onda, um dos parâmetros ondulatórios.

Para além deste parâmetro ondulatório, há outros.

A ondulação tem a ver com a frequência angular, ou seja, tem a ver com a rotação da onda e com o

tempo que ela demora a executar esta rotação.

O inverso da frequência é o período.

υ = 1/Τ

λ – Comprimento de onda (m)

→ Distância entre dois pontos da onda a partir dos quais se repetem as mesmas características;

→ Distância entre dois máximos de onda;

→ Parâmetro ondulatório que vai alterando quando a radiação electromagnética, vector eléctrico ou

vector magnético, interage com a matéria por onde passa.

Por poderem existir ondas com vários comprimentos de onda, obtém-se um espectro

electromagnético de radiações.

Lembrar:

- luz visível

- cor

RADIAÇÕES GAMA

→ Baixo comprimento de onda

→ Elevada energia da radiação

Úteis em diagnóstico apesar de poderem aumentar a emissão de electrões de determinado meio e

serem prejudiciais à saúde.

RAIOS X

Úteis em diagnóstico médico e em ensaios físico – químicos de alguns materiais, nomeadamente o

aspecto das superfícies que possuem substâncias que são investigados através de refracção de raios X.

UV

→ Usado em técnicas de espectrofotometria. A maioria das análises são feitas com base

nestas radiações.

→ Muito usadas para detecção de materiais (como sangue em superfícies).

118

IV

→ Identificação de compostos químicos.

→ Espectrofotometria de IV – técnica de identificação de substâncias.

NOTA: Há sobreposição de radiações. Há uma zona do IV, zona do IV próximo, muito utilizado em análise

farmacêutica.

MICRO – ONDAS

→ Utilidade em laboratório na destruição de matéria orgânica, tendo substituído agentes

químicos ácidos anteriormente utilizados.

A representação matemática de uma onda é a relação de um dos parâmetros ondulatórios em

função do ângulo de propagação da onda, que se refere apenas a uma propagação luminosa.

Se se considerar um conjunto de propagações luminosas que passam num espaço num determinado

tempo, admite-se que, para além de uma velocidade angular, pode ainda haver um desfasamento de uma

onda em relação à outra.

R.E.M: frente de onda

Embora se saiba que a propagação da onda se faz num campo eléctrico que origina o magnético e

vice-versa, o que acontece é que há um determinado princípio da propagação.

Atirando uma pedra para o lago formam-se circunferências em torno da pedra. São as frentes de

onda, há uma região do espaço onde se podem inscrever todas as cristas de onda.

Fazendo uma analogia, as circunferências, contidas num plano, representariam todos os máximos

de onda – FRENTES DE ONDA.

As frentes de onda esféricas originam outras frentes de onda que têm a mesma frequência e

velocidade e que se propagam na mesma direcção. Segundo o conceito de Huygens, as frentes de onda

provocam novas frentes de onda. Tornam-se cada vez menos definidas à medida que se afastam do

centro.

Quando a fonte de radiação está muito próxima da frente de onda, consegue-se definir uma

circunferência perfeita, mas quando está longe, é menos definido, mas sempre paralelo à fonte de

radiação.

AS FRENTES DE ONDA…

� Não necessitam de qualquer meio material para se propagarem (podem propagar-se no vácuo!)

� São oscilações periódicas, tridimensionais que se propagam numa infinidade de direcções

� A direcção de propagação da onda é sempre perpendicular à superfície da frente de onda em

cada ponto

119

� Frente de onda – superfície que passa sobre todos os pontos do meio alcançados pelo movimento

ondulatório, no mesmo instante. A perturbação em todos esses pontos tem a mesma (Ex: Superfície que

contém todos os máximos ou os mínimos da onda)

� As frentes de onda de uma fonte pontual são esféricas e o raio da esfera é perpendicular à sua

circunferência em cada ponto

� Quando a fonte está demasiado longe, os raios das esferas são tão largos que parecem, ao

observador, ondas planas

Ilustração 1 – Uma onda real representada em 3 dimensões

Propagação da R.E.M.

� A onda propaga-se em linha recta

� A onda move-se da esquerda para a direita, progredindo no tempo t1→ t2→ t3→ t4

� A altura da onda Y, medida num ponto fixo, varia com o tempo, oscila para cima e para baixo (ou

“ciclos”) entre +A e –A. A amplitude não varia.

Velocidade da R.E.M

Uma outra propriedade que é característica da onda e que determina muitos fenómenos cósmicos é

a sua velocidade.

A sua velocidade corresponde ao deslocamento da radiação ao longo do tempo.

120

Considere uma onda que se propaga ao longo da

direcção horizontal, partindo da posição 1 e movendo-se

para a posição 2, num tempo T correspondente ao período

da onda.

Sabendo que

Então…

Velocidade (v) produto da frequência com o

comprimento de onda (ms-1 ou cms-1)

e

Pode-se relacionar o deslocamento em função de um parâmetro que pode ou não manter-se

constante dependendo do meio material, mas que varia ao longo do tempo →λ.

λ repete-se por ciclos, por períodos. Então a velocidade está em função de λ e Τ.

Sabendo que Τ=1/υ, obtém-se uma relação da velocidade em função de υ e λ. A υ não se altera

mesmo que se mude o meio material, é a mesma em diferentes meios materiais, com densidades ópticas

diferentes, isto é, se a densidade óptica é diferente, o empacotamento das moléculas também é diferente.

A υ ou o Τ com que a onda se propaga são os mesmos. É λ que varia.

Para qualquer onda, independentemente do seu λ, a velocidade de propagação no vazio é sempre

3,0x108m/s, descoberto por Maxwell e Huygens.

Noutro meio, a velocidade de propagação é sempre mais baixa do que a velocidade de propagação

no vácuo porque há interacção do vector eléctrico com o meio material. A alteração da velocidade da luz

com λ é um fenómeno que se denomina dispersão.

121

Atenção!

� A frequência ( ƒ ) e o período (T) de uma onda são características fornecidas pela fonte geradora,

� O comprimento de onda ( λ ) e a velocidade (v) dependem do meio de propagação

� A velocidade da luz no vazio é a mesma para todos os comprimentos de onda

� Em substâncias materiais a velocidade da luz é menor do que no vazio

� A velocidade da luz varia com o comprimento de onda = Dispersão

Princípios da Propagação da Luz

Princípio de Huygens (1690) ou construção de

Huygens:

Descreve como se movem as frentes de onda no

espaço

b cada ponto de uma frente de onda servirá de fonte de

ondas esféricas secundárias que se propagam em todas as

direcções com a mesma velocidade, frequência e

comprimento de onda que a frente de onda de que derivam.

Então…

Os círculos formados quando se “atira a pedra”, são motor para a formação de outras frentes de

onda que vão progredindo.

No meio em que a fonte da radiação está muito próxima das frentes de onda, observam-se

nitidamente as circunferências. Se estão distantes não são tão definidos; os círculos são planos paralelos à

fonte que progridem numa determinada direcção.

De acordo com estas características da radiação electromagnética, podem resultar vários fenómenos

provocados pela interacção da matéria com a luz.

De qualquer radiação, parte é reflectida, parte é absorvida e parte é refractada.

122

1. REFRACÇÃO

Uma radiação projecta-se quando atravessa um meio com densidade óptica diferente de outro. O

seu percurso é desviado e é originada uma radiação com velocidade e direcção diferentes.

Havendo reflexão há sempre refracção.

Havendo refracção há sempre reflexão.

A onda perde a identidade quando atinge um meio material.

A radiação incide na superfície de propagação de dois meios. Se a radiação atinge, há um plano

perpendicular a outro onde estão contidas todas as cristas da onda.

2. REFLEXÃO

A radiação regressa ao meio de onde parte e não muda de velocidade, muda apenas de direcção de

propagação.

Se o meio que reflecte é polido e plano, o regresso ao mesmo meio faz-se com um ângulo igual. É

uma reflexão normal – Reflexão especular.

123

Se o meio material é ondulado, a reflexão é difusa, e cada raio, aleatoriamente, depois de reflectido,

segue direcções diferentes. É do resultado da reflexão especular e da difusa que se obtêm fotografias.

A razão entre o seno do ângulo de reflexão de incidência e o ângulo de reflexão é constante para

determinados meios materiais. Esta constante chama-se índice de refracção e é característico e

identificador do par óptico.

3. ABSORÇÃO

POLARIZAÇÃO

DIFRACÇÃO – a radiação passa através de pequenos orifícios.

INTERFERÊNCIA – fenómeno óptico que resulta de interacção de duas radiações.

124

Se há amplificação da radiação a interferência é construtiva. Pode ser destrutiva se as radiações se

anulam quando chocam.

125

126

127

Índice de refracção

Em resumo:

Refractómetro da aula tem um monocromador que roda para compor os diferentes comprimentos de

onda da radiação que é dispersa por atravessar um meio que tem uma determinada densidade óptica,

nomeadamente o vidro.

Na maioria das situações, o índice de refracção varia de uma forma tendencial com o comprimento

de onda. Nestas situações, a dispersão é normal, (embora existam situações cuja dispersão é anómala)

isto é, para determinado comprimento de onda, há bandas de adsorção que fazem com que a variação de

n não seja com esta forma de λ.

Dispersão

Fenómeno que resulta da variação de índice de refracção em função de comprimento de onda.

128

De acordo com os diferentes comprimentos de onda da radiação, atinge um desvio que se faz sentir

com maior ou menor intensidade depois da radiação electromagnética atravessar, por exemplo, um prisma

“de vidro”.

CONSEQUÊNCIA DA DISPERSÃO

Exemplo: A chamada “Floresta Azul” situada na Austrália. Esta floresta, de azul não tem nada. O

que acontece é que se trata de uma floresta muito densa de um tipo de árvores que exsuda uma seiva que

se espalha pelo chão e em função da inclinação da luz solar, há dispersão da luz. Pelo gráfico percebe-se

que a radiação azul é a que se desvia mais do trajecto original da luz.

É por isso, por ser esta dispersão que se faz sentir com muito maior intensidade que as outras, que

a floresta acaba por ser “azul”. (consequência da dispersão da luz)

Reflexão interna total: ângulo crítico

Imaginemos…

Que temos um meio com determinada densidade óptica, que pode ser uma solução qualquer e o ar,

se se incidir uma radiação nesta superfície de separação, o raio refracta, porque a densidade óptica

daquela superfície é menor. Isto é, o número de moléculas que existem por área é menor, o que vai fazer

com que a radiação refracta, se desvie muito mais do que a radiação incidente.

• Se aumentarmos o ângulo de incidência, o raio que refracta vai aumentar com o

componente.

• Se continuarmos, chega-se a um ponto que para chegar a uma determinada incidência, a

refracção se faz tangencialmente à superfície da solução.

Qualquer raio com o ângulo superior a este, (ver nota) deixa de se refractar para se reflectir

totalmente. O ângulo é chamado de ângulo crítico ou ângulo de reflexão total. Logo, é o maior ângulo a

que corresponde a uma refracção “arrasante”.

129

É com base na formação deste ângulo, que a maioria do equipamento para determinar o índice de

refracção se baseia.

POR DEFIN IÇÃO:

Índice de refracção de 2 em relação a 1, admitindo que o meio de 2 é o que está a azul e o 1 é o

que está a branco, é exactamente igual a n absoluto de 2 sobre n absoluto de 1.

Por definição, n absoluto de 2 é o termo do ângulo de incidência no meio 2 sobre o termo do ângulo

de refracção do vazio (meio 1).

• Se o ângulo de incidência passa de um meio opticamente menos denso para um meio

opticamente mais denso, o ângulo de 90º vai dar origem ao ângulo crítico.

• Logo, o seno do ângulo de incidência de 90º corresponde ao seno do ângulo de reflexão,

de refracção (ângulo crítico).

Como o seno de 90º é igual a 1, através da medida do n, pode-se saber o valor de L (ângulo crítico

ou limite).

Factores que afectam o índice de refracção

1. Comprimento de onda

2. Temperatura

3. Pressão

4. Constante dialéctrica

1º- Comprimento de onda

- é uma representação para várias substâncias

130

N em função do comprimento de onda é semelhante para todas as substâncias. Naturalmente que

esta radiação não se faz sentir para todas as gamas de λ.

Exemplo: ver o gráfico para o silicato e o cloreto de sódio.

2º- Temperatura

A temperatura tem acção directa sobre a densidade do meio, isto é, sobre o número de moléculas

por volume. Daí que um aumento de temperatura provoque uma diminuição do número de moléculas por

volume, e estas moléculas deixam de:

o “Interagir” com tanta intensidade do vector eléctrico da radiação

o Actuar menos em relação a outra situação cuja temperatura seja mais baixa.

Para a maioria dos líquidos transparentes e semitransparentes

A variação de n relativamente a T para diferentes valores de temperatura varia dentro destes limites:

Nota: uma variação de -4 * 10-4, relativamente ao aumento de 1 grau de temperatura, é uma coisa

razoável.

Na prática, quando se determinava o n do refractómero, fazíamo-lo com 4 casas decimais. Estas 4

casas já eram duvidosas, e havendo alteração na 4ª casa decimal, esta afectava a 3ª que é um algarismo

quantificado em termos de diferenciação de índice de refracção sobretudo para substâncias.

Então, significa que tudo o que fizemos na aula prática deveria ter sido feito a temperatura

controlada. Efectivamente, o refractómero tem possibilidade de controlar a temperatura, em que a água

circula continuamente a uma temperatura fixada, que permite que o valor de n não seja alterado pelo valor

de T.

131

Porque é que não o fizemos?

Porque a temperatura do laboratório é tão elevada e ainda por cima com uma densidade de

população que lá estava, não se justificava por lá um “trambolho” para fazer passar um banho de água.

PARA SÓLIDOS

A variação de n relativamente a T é muito mais baixa.

A temperatura, para além de implicar uma variação sobre a densidade, também implica variação

numa frequência vibracional das moléculas.

As moléculas vibram com determinada frequência o que faz com que a interacção entre as camadas

exteriores com o vector eléctrico que normalmente interage com a matéria da radiação electromagnética,

vá alterar.

Por essa razão, (alteração do valor de n, devido à temperatura) é que ao assinalar o valor de n

determinado, devemo-lo fazer sempre, indicando dois factores fundamentais:

1. O comprimento de onda, refere-se à luz amarela do Na+.

2. Temperatura.

Por isso é habitual ver nos líquidos, ou nas fotografias, onde estão reunidas todas as características

das substâncias, vermos desta forma:

20- 20 graus

D- risca

Só se pode comparar n de duas substâncias presentes, se tiverem a determinação a 20 graus em

relação à risca D, da luz amarela do Na+.

Caso contrário, como na densidade, não se pode afirmar que através de n isto é A e aquilo é B.

132

3- Pressão

Pergunta: Se a temperatura faz alterar a densidade do meio, a frequência vibracional, também pode

alterar o índice de refracção?

Isto é, se se faz pressão sobre um líquido, há um empacotamento das moléculas, altera-se a

densidade e consequentemente altera-se o valor de n.

Resposta: É verdade! Só que as variações de pressões de 1 atm produzem uma variação de n

muito pequena.

Então porquê dar importância ao -4 * 10-4 e não 10-5?

Porque para ter uma variação de 1 atm em P, é preciso sujeitar a substância a forças extremamente

elevadas (o que não acontece, senão estaríamos todos “tolos da cabeça”).

4- Constante dialéctica

As moléculas quando estão em solução acabam por se polarizar, isto é, há uma distribuição das

casas positivas de um lado e das casas negativas para outro.

Em termos genéricos, as moléculas costumam formar dipolos e como estes têm um excesso de

uma carga de um lado e do outro, consoante a sua direcção na solução, vão provocar interacções menores

ou maiores “para o” vector eléctrico.

Ou seja, se a radiação atingir a zona da molécula onde há concentração das cargas negativas, a

interacção será maior aí, do que se for a incidência na zona de cargas positivas.

Então significa que a constante dialéctica que mede a permissividade (ou polarifracção) da solução

em termos eléctricos, também vai provocar uma variação óptica e segundo Einstein, a variação de n, em

função da permissividade é: n = √ε

Determinação do índice de refracção: Refractómetros

Para saber qual a molécula mais polar, isto é, qual a mais hidrofílica, fazemo-lo através de n. Através

das medidas de n, pode-se chegar à conclusão da polaridade do sistema.

Ex: Solvente polar dissolve substância polar

133

Solvente apolar dissolve substâncias apolares

Como base daquilo que foi dado em relação ao ângulo crítico, sabe-se como funciona o

refractómero utilizado nas aulas práticas.

A radiação vem por reflexão, pode ir por:

- Espelho

- Fonte luminosa (lâmpada)

A radiação vai atingir o prisma sobre determinado ângulo. Como está a passar por um meio

opticamente mais denso para um meio opticamente menos denso (solução colocada entre os dois prismas)

e se esta incidência corresponder ao raio crítico, vai refractar-se tangencialmente à superfície da solução.

Resumindo…

A solução é colocada entre os dois prismas cujo contacto entre eles é muito justo. Logo a refracção

na zona α pode funcionar como incidência nesta zona.

E como um raio está a passar de um meio opticamente mais denso para um menos denso, o que

vai refractar com o ângulo limite.

Conclusão:

� Todos os raios que são superiores ao ângulo limite, reflectem (por isso vemos

claro, vemos a mesa, pela luz reflectida) – Raios amarelos

� Todos os raios que são inferiores ao ângulo limite, refractam (por isso vemos

escuro) – Raios vermelhos

134

Logo, na prática, quando víamos o “envelope”, a zona clara correspondia aos ângulos refractados e

a zona escura correspondia aos ângulos refractados e a risca preta era o ângulo limite (característico do

par hidro/solução, sendo então característico para determinada substância).

Monocromador:

� Faz variar as incidências de forma a obter uma luz de um só comprimento de onda.

� Ou seja, compõe a luz que é dispersa por vários comprimentos de onda com a ajuda dos

prismas com composição (de silicato e chumbo) diferentes. Estes prismas têm vidros de Crown e

Fillat e têm que estar dispostos assim:

Refractómetros diferencial

No caso de ter duas substâncias quimicamente muito semelhantes, cuja cada uma terá o seu índice

de refracção. Neste caso o refractómero que usamos na aula, é incapaz de as distinguir. Por isso, usamos

o refractómetro diferencial.

Tem uma chamada célula de referência, onde de um lado se coloca um solvente e do outro a

solução.

Nota: quando se mistura o soluto com o solvente, a quantidade ou o tipo de soluto pode não ser

suficiente para provocar uma variação de n tão significativa.

Então, utilizando o refractómero diferencial, onde na mesma célula se coloca o solvente e a solução,

pode-se de uma forma diferencial, determinar qual é o valor rigoroso de n relativamente ao soluto. Já que o

valor de n que se determina habitualmente, é para uma determinada solução.

135

Refractómetro de mão (modelo Brix)

A aplicabilidade da refractometria é mais comum na área do petróleo. Quando há separação do

petróleo, desde os vários componentes do crude até componentes do petróleo, é feita por destilação

fraccionada (ou seja, os componentes vão saindo de acordo com as suas temperaturas de ebulição). O

destilado destas temperaturas é analisado refractometricamente.

Refractometria: aplicações analíticas

Mas, a refractometria é fundamental na análise dos alimentos e da urina. A análise desta última é

muitas vezes feita através de n nos laboratórios de análises clínicas.

Mais uma fabulosa historinha da prof:

Antigamente as leiteiras adulteravam o leite com urina, pois esta tem o valor de densidade muito

parecido com o do leite, contrariamente ao do da água. E como não havia na altura a tecnologia que há

hoje (refractómero diferencial, neste caso), era impossível a detecção da fraude.

Refractometria: análises qualitativas

Muitas vezes, o valor de n não permite distinguir duas substâncias, ou porque são muito

semelhantes, ou porque não há refractómetros diferenciais, é necessário refractómetro específica.

Refractómetro específica, permite a comparação de n da amostra com o n da substância conhecida

e por controlo da temperatura e comprimento de onda, permite relacionar os índices de refracção (n) com:

- massa molar - densidade

136

Os valores de R determinados para uma amostra, podem ser comparados ou até estimados em

função da forma estrutural da amostra.

O valor de R é resultado de:

• Ligações duplas

• Ligações triplas

• Anéis aromáticos que formam a solução

• Contribuição dos átomos

Nota: Se através de n não se consegue chegar à estrutura da substância, pode-se tentar “construir”

com valores tabelados.

137

ex: Desconfiava-se que era cloreto de sódio. Sabe o incremento por uma tabela. Posteriormente,

comparava-se este valor com aquele que nos deu experimentalmente, para se poder deduzir se era ou não

NaCl.

Refracção específica

Outra vantagem da refracção específica e que não depende da:

o Pressão

o Temperatura

o Estado de agregação molecular

Quando se tem mais do que uma mistura, será que o valor de n permite dizer que se tem um

tanto de A e um tanto de B?

Permite! Mas se tiver a garantia que as duas substâncias não interagem quimicamente.

Se se tiver duas nuvens electrónicas, a variação da velocidade da luz, vai depender da interacção

das nuvens electrónicas. Se as moléculas interagirem uma com a outra, vão criar outra nuvem electrónica

que não tem nada a ver com as outras, provocando uma variação da velocidade da luz. Logo, o valor de n

não é fiável.

Nesta situação, para ver se há ou não reacção química, mistura-se uma determinada quantidade de

uma substância A com uma determinada quantidade de substância B e verifica-se se o índice de refracção

da mistura n(A+B) é igual à soma dos índice de refracção separados n(A) + n(B).

Nota: Se se cometer erros humanos ou se se utilizar material pouco precisos, logo n(A+B) será

diferente de n(A) + n(B), concluindo que houve reacção química.

MI. Para evitar isso ou “tirar teimas”, recorre-se à uma propriedade muito mais específica � valor R

(leva em conta a densidade e a massa molar).

138

Nesta situação, se n(A+B) for diferente de n(A) + n(B) das soluções puras, (estamos na presença de

uma reacção química)?

Historinha da professora 2:

Nos primeiros anos que a professora leccionava, os alunos efectuaram uma destilação fraccionada.

Ou seja, o primeiro composto que saía era o mais volátil (menor temperatura de ebulição) e por aí fora.

Os alunos pegavam na curva de calibração que a professora tinha feito, e chegavam à conclusão

que o destilado enriquecia no composto menos volátil, o que era impossível.

O que se passava era o seguinte, a professora baseava-se numa relação de 1mL para 9mL

medidos numa proveta. Ou seja, quando ela mediu 1mL e 9mL em pipeta porque a experiência assim,

dava certo, e juntou tudo numa proveta, o volume era inferior a 10mL, o que significa que havia contracção,

que havia reacção química, ou seja, a relação era, para aí, um padrão de 1 para 8.

Logo, se a professora tivesse dado também atenção ao R e não só a n, ter-se-ia apercebido que

havia algo de errado.

Refracção atómica, molar e dispersão específica

Através da refracção específica, pode-se chegar à:

� Refracção atómica

� Refracção molar

� Dispersão específica, que é a refracção específica que é determinada para um

comprimento de onda e para outro comprimento de onda. Logo, determinando o valor para 2

comprimentos de onda, caracteriza-se muito mais a substância.

139

Refractometria: análises quantitativas

A refracção é muito utilizada para análise de proteínas.

Quando fazemos um gráfico cujo n é em função da concentração de uma “matriz” proteica

(macromoléculas), não temos linearidade da solução.

Para uma solução de moléculas pequenas, temos essa tal linearidade (ex. NaCl), mas para as

macromoléculas não.

E porquê? Porque, o meio de dispersão dessas macromoléculas, têm uma densidade muito elevada

e também contribui para uma variação da velocidade da luz.

Pode-se aproveitar esta relação, torná-la analiticamente útil, fazendo n2 em função de c.

Logo, fazendo uma curva padrão para soluções de proteínas padrão, pode-se calcular:

� Concentração de uma solução proteica

� Peso molecular da solução (calcula-se 1º o n, depois o RD, depois o RM e

finalmente o M)

� RA/RD/RM

Ou seja, pode-se saber quais são os tipos de átomos da solução proteica

Nota: Antigamente, o benzeno era o solvente mais usado em cromatografias.

Actualmente, sabe-se que é um produto químico cancerígeno. Porém, é considerado, por tabelas,

como um dos melhores solventes.

140

Polarização da luz

Polarimetria

Então…

Há dois tipos de ondas: umas longitudinais, porque a direcção de vibração ou plano de

vibração coincide com a direcção de propagação; e outras transversais porque o plano de vibração é

sempre perpendicular à direcção de propagação.

O som é um exemplo de ondas longitudinais. Por terem estas características é que

conseguem contornar obstáculos, o que não se consegue com ondas transversais, como por

exemplo as ondas luminosas. Contudo, no momento em que chocam com o objecto pode haver

outro fenómeno: a difracção. Estas ondas transversais são as únicas que podem sofrer o fenómeno

da polarização da luz.

Polarização das ondas

Tipos de ondas

No movimento ondulatório:

-se as partículas do meio (caso das ondas mecânicas) vibram na direcção de propagação do

movimento ondulatório, as ondas denominam-se longitudinais (caso do som)

- se as partículas do meio vibram em direcções perpendiculares à direcção de propagação ,

as ondas denominam-se transversais (caso de uma corda que vibra ao ser agitada num dos

extremos).

O que é uma onda não polarizada?

Onda que possui mais de uma direcção de vibração para uma direcção de propagação

A onda possui várias direcções de vibração para apenas uma direcção de propagação.

Observe que todas as direcções de vibração são perpendiculares à direcção de propagação

141

Ou seja…

Uma onda que não está polarizada é aquela que vibra numa infinidade de planos, isto é, tem

várias direcções de vibração e uma só direcção de propagação. E todas estas direcções de vibração

são, por característica das próprias ondas, perpendiculares à direcção de propagação.

Por exemplo, pegando numa corda e a agitando, a corda vibra não só como na figura, mas

também vibra por toda ela. São chamadas direcções de vibração da onde as que se propagam

numa infinidade de planos.

O que é polarizar uma onda?

Polarizar uma onda é obriga-la a vibrar numa só direcção de vibração, isto é, a onda vibra

num só plano mesmo que ela anteriormente tenha vários planos de vibração. É fazer com que uma

onda não polarizada (várias direcções de vibração) se transforme numa onda polarizada (uma

direcção de vibração).

A polarização representada, exactamente porque a onda que é polarizada está inscrita num

plano que é coincidente com dos planos de vibração da onda não polarizada, diz-se que é uma

polarização linear, exactamente porque não há desvio de ângulos relativamente à onda original. No

entanto há outros tipos de polarização.

142

As ondas luminosas

A luz é constituída por um vector eléctrico e um vector magnético. Ambos se propagam na

mesma direcção, mas em planos perpendiculares entre si. O campo eléctrico é aquele que

naturalmente interage com a matéria e é exactamente essa interacção que produz fenómenos como

a reflexão, a refracção e a polarização.

- A luz é formada por ondas transversais (ondas luminosas)

- As ondas luminosas (ondas electromagnéticas) são devidas à variação dos vectores do

campo eléctrico e magnético.

- As variações têm lugar em planos perpendiculares à direcção de

propagação do raio luminoso.

- A luz natural, ou Luz não polarizada apresenta direcções de vibração

em inúmeras direcções, mas todas elas perpendiculares à direcção de

propagação do raio.

Como é que é possível polarizar e detectar a luz polarizada?

Os nossos olhos

naturalmente não conseguem

detectar todas as direcções

de vibração. Se nós vemos a

luz, ou um conjunto de

radiações e que se propagam

naturalmente a uma

determinada velocidade, a luz

vai actuar sobre determinados

polarizadores ópticos que

temos que nos dão a

sensação de visão.

Portanto, para poder

saber se a luz é ou não

polarizada, têm de se utilizar dispositivos especiais, nomeadamente polarizadores e analisadores.

As ondas transversais polarizadas estão representadas nesta figura.

No caso da luz, se houver uma fonte de radiação não polarizada, imagine-se uma fonte de

radiação policromática, a luz natural que é constituída por várias cores, com vários comprimentosde

onda, ao atravessar uma determinada substancia, que neste caso pode ser meramente uma lamina

143

de um determinado material (cristal de espato da Islândia), ela vai naturalmente ser polarizada.

Metade destas radiações, ou todas estas são eliminadas, excepto aquela que vibra

perpendicularmente à direcção de propagação. Esta só é detectável colocando uma segunda lâmina

de espato da Islândia na mesma direcção, isto é, paralelamente à primeira.

Porquê colocar paralelamente?

Em qualquer cristal, a sua rede cristalina é orientada de determinada maneira, e há um

chamado eixo cristalorado. Se o eixo cristalorado da primeira lâmina estiver paralelo ao eixo

cristalorado da segunda lâmina, a luz passa (é polarizada) e é vista do outro lado da lâmina.

Rodando segunda lâmina, isto é, colocando o eixo cristalorado numa posição diferente

daquela a que corresponde à primeira lâmina, dá-se conta que há ausência de luz. Essa ausência

total de luz acontece quando este eixo faz um ângulo de 90º com este. Todos os ângulos diferentes

de 90º vão deixar passar um pouco desta luz, mas com intensidades diferentes. A intensidade da luz

polarizada vai variar não só com o tipo de material que provoca a polarização, isto é, com as

características físicas desse material.

Através disto podemos calcular qual é o ângulo em que a luz é polarizada.

Polarização da Luz

144

A colocação de dois polarizadores com direcções de vibração perpendiculares entre si,

impede a passagem da luz.

O processo da polarização pode ser um processo utilizado para graduar a intensidade da

luz, que é muito utilizado em óptica. ∗

∗ Os óculos polaróide, têm função de regular a intensidade da luz natural de forma a

não atingir com tanta energia, fazer com que algumas das radiações que são energeticamente

mais activas que outras e portanto mais danosas para o nosso olho, sejam eliminadas.

145

Tipos de polarização da luz

Não podemos ficar com a ideia que a luz só pode ser polarizada linearmente, porque a luz pode

ser polarizada linearmente, circularmente e elipticamente.

Aqui está representada esquematicamente como é obtida uma luz polarizada linearmente. A luz

natural é constituída por vários os feixes de várias cores e cada uma delas tem uma direcção de vibração

diferente. As velocidades também são diferentes e quando atravessam um determinado polarizador, só

uma das propagações é que prevalece, vibra e se propaga numa direcção.

Polarização circular pode ser utilizada (como foi visto nas aulas práticas) para quantificar a

concentração de uma substância.

Neste caso, chega a haver rotação da radiação.

146

A polarização elíptica, que no fundo é o somatório das duas polarizações anteriores, pode servir

para determinar estruturas moleculares com muito maior precisão do que, por hipótese, uma absorção

simples ou uma emissão de luz simples que é utilizado em fenómenos de espectroscopia do ultravioleta ou

do visível ou espectroscopia de emissão fluorescente.

Além de haver a rotação, umas das radiações é mais absorvida que outra, dando como resultado

uma projecção simétrica elíptica.

147

Métodos para obter luz polarizada linearmente

Polarização por Reflexão e Refracção

A luz incidente numa superfície plana e polida sofrerá em parte

reflexão, originando um raio polarizado perpendicularmente ao plano de

incidência, enquanto que a porção refractada será polarizada paralelamente ao

plano de incidência.

Uma radiação incide num determinado meio óptico. Acontece sempre

reflexão e um fenómeno de refracção. Há uma radiação que se reflecte com um

ângulo exactamente igual ao ângulo de incidência, embora a direcção de

reflexão seja perpendicular à direcção de incidência e um ângulo que se

refracta e muda de direcção consoante o índice de refracção da substância,

portanto ele é desviado mais ou menos do ângulo normal de acordo com o índice de refracção da

substância. Quando isto acontece, dá-se simultaneamente um fenómeno de polarização.

Pode haver polarização por reflexão e polarização por refracção. A intensidade da radiação

polarizada depende não só da intensidade da luz mas também do cos2 do ângulo de incidência, então

podemos regular essa intensidade e polarizar totalmente a radiação se conseguir uma incidência, de tal

forma que os raios sejam complementares (ver figura), isto é, formem um ângulo de 90º. Quando a soma

148

do ângulo de reflexão com o ângulo de refracção for igual a 90º, há a extinção total de luz reflectida. Este

ângulo é, segundo Brewster, o ângulo de polarização e ele indica qual é a máxima polarização que pode

existir.

Como é que se relaciona o ângulo de polarização com o índice de refracção?

Não havendo possibilidade de medir o ângulo, é necessário medir por via de uma outra

propriedade que é o índice de refracção. E então, sabendo que a extinção total se dá quando a soma do

ângulo de reflexão mais o ângulo transmitido (que no fundo é o refractado) é de 90º. Como sabemos que o

ângulo de incidência mais este também tem de ser igual a 90º, podemos pelas leis de refracção dizer que

o índice de refracção do meio 1 vezes um seno do ângulo de incidência nesse meio é igual ao índice de

refracção do meio 2 vezes o seno do ângulo de refracção no meio 2. chega-se a uma relação que diz que

ângulo de polarização; a tangente desse ângulo de polarização, onde há polarização máxima, tem de ser

exactamente igual à relação entre os índices de refracção dos dois meios, onde se dá o fenómeno óptico,

ou seja, tem de ser igual à relação entre o seno do ângulo de incidência e o co-seno do ângulo de

incidência.

Mas não existe só polarização por reflexão, existe também por absorção e por absorção selectiva.

Cristais Uniaxiais/Birrefringência

Se num cristal incidir uma radiação, há duplicação dos raios (ordinário e extraordinário). Se se rodar

o cristal e se se projectar geometricamente o que acontece ao raio ordinário, pode-se verificar que a

velocidade é a mesma. Com o raio extraordinário não acontece o mesmo. As ondas vibram

perpendicularmente mas têm a mesma direcção de propagação. As suas velocidades são diferentes. Se

ambas tivessem a mesma velocidade haveria apenas um raio.

149

A projecção geométrica do raio ordinário é um círculo porque a velocidade do raio é constante,

independente da posição do cristal. No caso do raio extraordinário, ao rodar o cristal, de acordo com a sua

posição, há variação da velocidade de propagação. Logo, a sua projecção geométrica é uma elipse.

Os materiais que provocam esta reacção nos raios são materiais birrefringentes.

Materiais cristalinos com diferentes índices de refracção associados a direcções cristalográficas

BIRREFRINGÊNCIA – Medida da diferença dos índices de refracção extraordinário e ordinário (ne –

no), ou seja, têm índices de refracção diferentes consoante a posição do cristal.

Surge da desordenação do cristal, mas basta uma pequena diferença do raio extraordinário e

ordinário para que surja um desfasamento ou ângulo de rotação (α).

Birrefringência = (ne – no)

= (índice de refracção do raio extraordinário) – (índice de refracção do raio ordinário)

= (velocidade de prop. do raio extr.) – (velocidade de prop. do raio ord.)

A birrefringência pode ser:

NEGATIVA:

A uma direcção perpendicular ao plano de propagação, tem-se um raio extraordinário

com velocidade superior à do raio ordinário.

POSITIVA:

Para a mesma incidência a velocidade do raio extraordinário é inferior à do ordinário.

Para que são usados os materiais birrefringentes?

Para produzir prismas polarizadores e placas retardadoras.

150

Índice de refracção ordinário e índice de refracção extraordinário

∗

A velocidade do raio extraordinário é máxima quando a direcção é perpendicular à direcção do eixo

óptico.

Alguns materiais birrefringentes:

? É preciso haver uma diferença muito grande de índices para haver dupla refracção?

Não!!!

No entanto, há maior refracção ou birrefringência se houver maior diferença de índices.

∗ Ve é a velocidade de propagação máxima do raio extraordinário numa direcção perpendicular à direcção do

eixo.

151

Exemplo:

Prisma de Nicol

- Cristal que se encontra dentro do

polarizador.

- Utilizado para polarizar a luz.

152

Polarização por birrefringência

Num material anisotrópico a velocidade da luz depende da sua direcção de propagação através do

material.

Para polarizar a luz linearmente, utilizam-se dois cristais de calcite colocados numa determinada

direcção e unidos. Da refracção obtém-se um ângulo.

Quando um raio de luz incide sobre este tipo de material há polarização por dupla refracção.

Formam-se 2 raios (RO) e (RE). Os raios estão polarizados em direcções perpendiculares e deslocam-se

com velocidades diferentes.

A incidência é perpendicular à superfície e ao eixo óptico.

O número de ondas contidos na placa é diferente porque os comprimentos das onda também são

diferentes. Os raios emergem com uma diferença de fases que depende da espessura da placa e do

comprimento de onda da luz.

A birrefringência atinge o valor máximo.

Os dois raios têm a mesma direcção mas velocidades diferentes.

Considere um feixe de luz polarizado linearmente que incide numa lâmina de um cristal

birrefringente, cortado paralelamente ao eixo óptico.

Considere que o raio de luz incidente faz um ângulo θ relativamente à direcção do eixo óptico.

153

Dependendo de θ , da espessura da lâmina e da birrefringência da lâmina, os dois raios (RE) e (RO)

emergirão do cristal com uma diferença de fases igual a δ.

Significa que, Ro e Re partem em fase e têm amplitudes iguais (1a)

mas emergem com uma diferença de fases (1b).

A diferença de fases expressa em radianos será

A actividade óptica está relacionada com as características da substância.

Como medir a retardação de um raio relativamente a outro?

Retardadores ópticos, para quê?

154

O raio ordinário e o extraordinário encontram-se sobre planos perpendiculares.

Se a distância entre as ondas é muito elevada acaba por haver um desfasamento e a onda final

corresponde ao somatório das outras duas.

Há interferência entre as ondas por elas interagirem uma com a outra. Ao haver um somatório de

amplitudes e ângulos, nota-se uma diferença de fases.

O desfasamento, que dá origem à rotação óptica, pode ser natural da substância e pode ocorrer

tanto em substâncias sólidas (ex: quartzo) como líquidas – SUBSTÂNCIAS COM ACTIVIDADE ÓPTICA.

De uma forma genérica, com um ângulo de 2Ө pode-se deslocar meia onda ou um quarto de onda.

Lâmina de retardação de meia onda Lâmina de retardação de um quarto de onda

As substâncias com capacidade de retardarem umas ondas relativamente à outra são consideradas

substâncias opticamente activas por possuírem poder rotatório. Este poder rotatório é tanto melhor quanto

maior for a sua concentração. Isto significa que a polarização por refracção que origina retardamento e

consequentemente retardação óptica pode ser usado em termos analíticos para caracterização de

substâncias.

Polarização rotatória

A luz não polarizada atravessa um

polarizador. Ao aumentar a espessura do cristal,

aumenta o tempo de desfasamento. A luz fica

polarizada e quando atravessa a substância com

actividade óptica, uma radiação retarda a outra de

forma a que, quando sai, já não o faz no mesmo

plano de vibração. Então, a substância roda o plano

de vibração da luz polarizada e provoca rotação

óptica

Substâncias deste tipo são opticamente activas e a forma de a exprimir faz-se em função da medida

do desfasamento das duas componentes.

155

?

Rotação óptica: dupla refracção circular

As substâncias opticamente activas são constituídas por moléculas. Umas têm a capacidade de

rodar o plano de rotação para a direita e outras para a esquerda, ou seja, umas são dextrógiras e outras

são levógiras, respectivamente. Então, a partir de uma substância opticamente activa, forma-se uma

componente dextrógira e uma levógira

.

Quando as duas componentes “saem”, vão interferir e o resultado dos vectores eléctricos origina

uma rotação para a esquerda ou para a direita.

Direita – se a componente dextrógira se sobrepõe à levógira.

Esquerda – se a componente levógira se sobrepõe à dextrógira.

E é preciso haver uma diferença muito grande entre índice de refracção, raio ordinário e

raio extraordinário, componente levógira e dextrógira, para haver um desvio grande de

ângulo? Não!!!!!!!!

Exemplo:

Grau de rotação óptica /desfasamento

156

Basta uma pequena diferença entre a velocidade de propagação entre o raio ordinário e o raio

extraordinário para se obter uma rotação ou desfasamento.

Isomeria óptica: Quem a comprovou?

Jean Baptiste Biot (1774-1862), de forma basicamente empírica.

O ângulo traduz-se em função do comprimento de onda, da distância e da birrefringência, ou seja, a

diferença entre nl e nd.

Medir nl e nd, ao contrário das outras grandezas envolvidas, é complicado. É necessário diferenciar

as duas componentes.

Nas experiências que fez, Biot quantificou a rotação conseguida devido à dupla refracção, e

relacionou-a com algumas características, nomeadamente a concentração para poder avaliar este

parâmetro nas soluções.

Admitiu então:

Esta característica é utilizada para identificar

Importância do estudo desta característica nas substâncias…

- Pode-se caracterizar a substância;

- Isómeros ópticos têm actividades biológicas diferentes. Por exemplo, a efedrina(?) na forma D não

tem efeitos negativos, contudo, na forma L é perigosa. O clorofenicol(?), só numa das formas tem

actividade farmacológica.

157

Actividade óptica/ Compostos Quirais

Se a molécula possuir um carbono deste tipo apresenta

isomeria óptica. Os isómeros ópticos, por analogia, podem ser comparáveis. Quimicamente são iguais,

mas farmacologicamente podem não ser.

Todos os testes químicos que se façam indicarão as mesmas características, apenas a actividade

óptica os distingue.

São exemplos de substâncias que têm carbonos quirais:

-carbohidratos (mono, di e polissacarídeos)

-vitamina E (α - tocoferois)

-Talidomida

-Aminoácidos,

etc, etc

Actividade óptica/ Racemização

As moléculas que têm isomeria óptica originam radiação ordinária e extraordinária (radiação L ou D)

mas vão ao mesmo tempo transformando o enantiómero positivo no negativo. Ao fim de algum tempo, há

um equilíbrio. Se o enantiómero positivo roda para a direita e o negativo para a esquerda, no final, a

rotação óptica da substância deve ser aquela que corresponder ao mais potente. Se D tiver actividade

óptica intrínseca maior que L, a rotação óptica será positiva e vice-versa.

Quando se atinge o equilíbrio existem nas duas formas um racémico que dita a isomeria final da

substância. A actividade óptica pode ou a polarimetria, pode servir para avaliar a velocidade de reacções

químicas entre substâncias com actividade óptica.•

• Nas aulas laboratoriais, na experiência em que se usava a glucose, catalisava-se antes de aferir. Isto, para que a α –

glucose se transformasse mais rapidamente em β - glucose e se obtivesse um valor de ângulo de rotação (α) correcto.

α = + β = -

Moléculas que possuem

carbonos ligados a várias

funções diferentes.

158

Medida da actividade óptica

Funcionamento do polarímetro

O desfasamento é quantificado através do ângulo de rotação. Este ângulo de rotação está

relacionado com o comprimento de onda ou percurso óptico da onda e o poder rotatório específico da

substância.

Tem-se, então, o valor do ângulo de rotação em condições específicas (valor rotatório específico),

para um comprimento de onda fixo, para uma determinada temperatura e para a concentração de

1g/100ml. Isto permite distinguir as substâncias, visto este valor ser específico.

159

Determinação da pureza óptica

A partir dos valores obtidos com o polarímetro, pode-se verificar qual o grau de pureza da

substância.

1• Pureza óptica = excesso de enantiómero (%)

2• Pureza óptica = % enantiómero em excesso = % enantiómero 1 - % enantiómero 2

3• Pureza óptica = 100 [α] mistura / [α] amostra pura

Variáveis que afectam a rotação óptica

Só em condições padronizadas se podem comparar substâncias opticamente activas. Isto significa

que há factores que alteram a sua actividade óptica.

1- Comprimento de onda

O poder rotatório específico varia com o comprimento de onda de acordo com a função

Sendo:

K1; K2; K3 – constantes avaliadas experimentalmente

λ- Comprimento de onda da medida

λ1; λ2 – constantes aproximadamente identificadas com os comprimentos de onda máximos de

absorção

160

Para dois λ diferentes podem-se distinguir duas substâncias. Calcula-se o poder rotatório específico

para dois λ. α está relacionado com λ2, as duas substâncias não polarizam da mesma forma, e obtém-se

um valor de dispersão óptica.

2-Temperatura

Um aumento da temperatura promove dilatação do tubo e diminui densidade da substância, logo a

posição e quantidade das partículas. Também altera o poder rotatório das próprias moléculas devido a

associações ou dissociações, aumento da mobilidade dos átomos.

De forma genérica, o poder rotatório específico relacionado com a temperatura, pode ser traduzido

por esta expressão:

n

- coeficiente de temperatura

- grau ou quantidade que é necessário para que 1ºC faça com que o poder rotatório específico

aumente um valor.

3- Concentração

Geralmente o poder rotatório varia linearmente com a concentração mas de uma forma pouco

significativa. No entanto, essa variação pode não ser linear.

A variação pode ser positiva ou negativa.

4- Solvente

Solventes apolares não promovem agitação das partículas o que faz diminuir a rotação. Solventes

polares proporcionam aumento da rotação óptica:

161

Dicroismo circular

Pode-se utilizar a polarimetria para caracterizar as substâncias. Contudo, mesmo estas podem sofrer

rotação óptica. Pode-se ainda efectuar um estudo da rotação óptica em função do comprimento de onda.

Ainda assim, isto pode não levar à caracterização, pois dentro da própria molécula podem ocorrer

alterações. Pode-se efectuar um estudo que especifique partes da molécula. Se a substância for

opticamente activa e estudada em equipamento específico, pode-se identificar os seus componentes.

Para determinado comprimento de

onda, a componente D e a L rodam

segundo determinado ângulo e são

adsorvidas. Como resultado tem-se

Dicroismo circular = rotação do plano

de polarização da luz + diferença de

absorção dos componentes

circularmente polarizados. Ocorre só

em regiões do espectro onde a

amostra absorve:

� UV próximo (250-350nm) – grupos

aromáticos de cadeias laterais de

triptofano, tirosina e fenilalanina).

� UV longínquo (180-250 nm) –

ligações amida que unem os resíduos

de aminoácidos entre si.

O dicroismo traduz-se através da diferença de adsorções entre a componente D e a L.

A forma de traduzir este dicroismo é através da variação da adsorvibidade molar que se relaciona

não só com a concentração, mas também com a adsorção da componente L e da D.

Birrefringência circular – ocorre em todas as regiões de comprimento de onda onde a substância é

opticamente activa

162

Dicroismo circular é a diferença entre a absorção das componentes esquerda e direita ,

circularmente polarizadas e é medida em função do comprimento de onda.

Dicroismo Circular

Como resultado da rotação e adsorção, a projecção geométrica da onda resultante é uma elipse.

Assim como o poder rotatório específico é caracterizador da substância, também a elipticidade o é.

163

O dicroismo permite uma caracterização estrutural, comparação da estrutura de proteínas, e mesmo

análise de alterações estruturais que decorrem de factores externos.

Espectroscopia de dicroismo circular

� Caracterização estrutural de proteínas (estruturas secundárias, terciárias)

� Comparação de estruturas de proteinas obtidas de diferentes fontes ou comparação de estruturas

de diferentes mutantes da mesma proteína

� Análise de variações estruturais das proteinas após perturbação: variações térmicas, variações de

pH (variações da composição de tampões), estabilidade a desnaturantes (adição de estabilizantes e

excipientes)

Espectros de dicroismo circular

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